KR101349340B1 - 수소포집용 튜브 및 그를 포함하는 물분해 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소포집용 튜브 및 그를 포함하는 물분해 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 물분해 장치는 기판과, 상기 기판 상에 광촉매 활물질로 도포되어 형성되는 광전극을 포함하는 광전극 모듈과, 일측면에 홀이 형성되는 튜브 본체와, 양이온의 수소를 교환하며 물분자는 차단하되 상기 홀을 감싸도록 형성되는 멤브레인과, 도전성의 매질로 이루어지되 상기 튜브의 내부에 포함되어 물분해의 촉매가 되는 전극체를 포함하는 수소포집용 튜브와, 상기 기판 상에 상기 광전극과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 금속그리드를 포함한다.
Description
본 발명은 수소포집용 튜브 및 그를 포함하는 물분해 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 물분해에 따른 수소를 포집하는 수소포집용 튜브와 수소포집용 튜브 및 광촉매를 포함하는 광전극을 이용한 물분해 장치에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 포집하는데 있어서, 물을 분해하는 방법을 주로 이용한다. 한편, 물을 분해하는데 있어서 수용액에 전기적으로 연결된 양극과 음극을 담궈 전원을 인가하여 전기분해하는 방법이 널리 이용되고 있다. 또한, 근래에 있어서, 태양광과 물을 함께 에너지 자원으로 이용하기 위하여 광촉매를 포함하는 광전극을 이용한 전기분해 기술이 제안되고 있다.
이러한, 종래 기술의 예로서 탄뎀형(미국 특허 제6,936,143호 등)은 WO3 또는 Fe2O3와 같은 광활성 물질을 포함하는 FTO 글라스으로 이루어진 광전극과 염료감응형 TiO2층과 직렬로 연결하고 전해질의 이동이 상호일어나도록 물분해시스템의 기저에 다공성 글라스를 두고 수용액 전해질을 분해하여 수소를 제조한다.
이와는 다른 종래 기술의 예로서, 하브리드형 PEC(미국 특허 제7,122,873호 등)에서는 실리콘 반도체 웨이퍼위에 Fe2O3 와 WO3 와 같은 산화물반도체를 직접 코팅하여 만들어진 광전극을 이용하여 물을 분해하여 수소를 생산하고 있다.
하지만, 이와 같은 종래기술에 의해서는 광전극의 광활성면에 빛이 잘 도달되지 못하여 물분해의 효율이 감소한다거나 산소와 수소를 각각 분리하여 포집하는 것이 용이하지 못하다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 산소와 수소의 분리를 용이하게 하고 광전극 광활성면을 피하여 수소 포집용 튜브를 배치함으로써 광전극의 광활성면에 빛이 잘 도달될 수 있도록 하는 멤브레인을 구비한 수소포집용 튜브와 그를 포함하는 물분해 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은, 기존 물분해장치에 있어서 광전극과 수소전극사이의 간극이 넓기 때문에 일어나는 수소발생 저해요인을 없애고 전면적 맴브레인에 비하여 맴브레인 면적을 줄일 수 있다. 또한, 투명전도성 글라스 위에 형성된 광전극에서 발생된 전자 또는 공공의 캐리어를 원활히 포집하기 위하여 설치하는 캐리어 집전선(current colleting lines)은 광에 비활성 지역이므로, 이 부분을 적극이용하여 광전변환효율을 높이기 위하여 물분해시 수소포집용 튜브는 광전극에 존재하는 광활성면을 제외한 캐리어 집전선에 대향하여 수소발생부를 배치함으로써 광전극의 광활성면에 빛이 잘 도달할 수 있게 설치하고, 물분해시 발생되는 산소와 수소의 분리를 용이하게 하여준다. 또한, 수소발생부의 이동 또한 용이하게 할 수도 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치는, 기판과, 기판 상에 광촉매 활물질로 도포되어 형성되는 광전극을 포함하는 광전극 모듈과, 일측면에 홀이 형성되는 튜브 본체와, 양이온의 수소를 교환하며 물분자는 차단하되 홀을 감싸도록 형성되는 멤브레인과, 도전성의 매질로 이루어지되 튜브의 내부에 포함되어 물분해의 촉매가 되는 전극체를 포함하는 수소포집용 튜브와, 기판 상에 광전극과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 금속그리드를 포함한다.
삭제
본 발명의 다른면에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치는, 소정의 수용공간을 가지는 내수용부를 포함하는 몸체와, 기판과, 기판 상에 광촉매 활물질로 도포되어 형성되는 광전극과, 기판 상에 광전극과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 금속그리드를 포함하는 것인 광전극 모듈과, 일측면에 홀이 형성되는 튜브 본체와, 양이온의 수소를 교환하며 물분자는 차단하되 홀을 감싸도록 형성되는 멤브레인과, 도전성의 매질로 이루어지되 튜브의 내부에 포함되어 물분해의 촉매가 되는 전극체를 포함하는 것인 수소포집용 튜브를 포함하되, 광전극 모듈 및 수소포집용 튜브는 광전극이 멤브레인과 대향되도록 몸체의 수용공간 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 물분해시 발생되는 산소와 수소의 분리를 용이하게 하고 광전극 광활성면을 피하여 수소 포집용 튜브를 배치함으로써 광전극의 광활성면에 빛이 잘 도달될 수 있도록 할 수 있어 물분해시의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
기존 물분해장치에 있어서 광전극과 수소전극사이의 간극이 넓기 때문에 일어나는 수소발생 저해요인을 없애고 전면적 맴브레인에 비하여 맴브레인 면적을 줄일 수 있다. 또한, 투명전도성 글라스 위에 형성된 광전극에서 발생된 전자 또는 공공의 캐리어를 원활히 포집하기 위하여 설치하는 캐리어 집전선(current colleting lines)은 광에 비활성 지역이므로, 이 부분을 적극이용하여 광전변환효율을 높이기 위하여 물분해시 수소포집용 튜브는 광전극에 존재하는 광활성면을 제외한 캐리어 집전선에 대향하여 수소발생부를 배치함으로써 광전극의 광활성면에 빛이 잘 도달할 수 있게 설치하고, 물분해시 발생되는 산소와 수소의 분리를 용이하게 하여준다. 또한, 수소발생부의 이동 또한 용이하게 할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 물분해 장치에 있어서 광전극 모듈을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 물분해 장치에 있어서 수소포집용 튜브를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 물분해 장치에 있어서 광전극 모듈을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 물분해 장치에 있어서 수소포집용 튜브를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 나타내는 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 물분해 장치에 있어서 광전극 모듈을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 물분해 장치에 있어서 수소포집용 튜브를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물분해 장치(10)는 광전극 모듈(200)과 수소포집용 튜브(300)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이 광전극 모듈(200)은 기판(210)과, 기판(210) 상에 광촉매 활물질로 도포되어 형성되는 광전극(220)과, 기판(210) 상에 광전극(220)과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 금속그리드(230)를 포함한다.
여기서, 광전극(220)은 WO3, Fe2O3 등의 광촉매물질을 포함하는 투명전극 또는 불투명전극으로 이루어질 수 있으며, 기판(210)은 금속기판 또는 FTO 글라스로 이루어질 수 있다.
금속그리드(230)는 광전극(220)을 추가적으로 확장 가능하도록 하는 유도 라인으로서, 광전극 모듈(220)을 대면적으로 확장 가능하도록 한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 수소포집용 튜브(300)는 일측면에 홀이 형성되는 튜브 본체(310)와, 양이온의 수소를 교환하며 물분자는 차단하되 홀을 감싸도록 형성되는 멤브레인(320)과, 도전성의 매질로 이루어지되 튜브의 내부에 포함되어 물분해의 촉매가 되는 전극체(330)를 포함한다.
수소포집용 튜브(300)는 속이 빈 사각형 기둥모양, 삼각형 모양, 실린더형 등의 형상일 수 있으며, 수소포집용 튜브(300)의 기둥에 좁은 스트립형의 멤브레인(320)을 고정시키거나 또는 속이 빈 실린더형 기둥의 일전면에 curve-shape의 멤브레인(320)을 고정시킨 것일 수 있다.
멤브레인(320)은 양이온 또는 음이온을 교환할 수 있는 교환수지막으로 이루어질 수 있다.
전극체(330)는 Pt, Pd, Ru, Ir, CoMo, CoMo 합금 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
한편, 전극체(330)는 광전극(220)에 대한 상대전극이 될 수 있으며, 전극체(330) 및 광전극(220)은 물을 분해하기 위하여 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 물 분해에 필요한 전원은 광전극(220)으로부터 자체적으로 공급될 수 있으며, 물 분해에 필요한 전원이 부족한 경우는, 외부전원 또는 기타 광을 이용하여 전기를 발생시키는 디바이스로부터 추가적으로 공급될 수 있다.
전술한 바에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 물분해 장치(10)에 의해 물이 분해되는 경우, 광전극 모듈(200)에서 산소가 발생되며, 양이온의 수소가 멤브레인(320)을 통해 교환되어 전극체(330)에 있어서 수소가 발생되며, 수소포집용 튜브(300)를 통해 발생된 수소는 포집되어진다. 이 때, 포집된 수소는 관을 따라 외부로 이송될 수 있다.
한편, 광전극(220)에는 플러스 전압이 인가되며, 전극체(330)에는 마이너스 전압이 인가됨에 따라 물이 분해될 수 있다.
수소포집용 튜브(300)는, 금속그리드(230)의 길이방향을 따라 광전극 모듈(200)과 소정의 거리가 이격되어 형성될 수 있다.
금속그리드(230)는 광전극(220)과 비교하여 저항이 비교적 낮으므로 광전극(220)에서 얻어진 광전류를 모으는 역할을 할 수 있으며, 금속으로 이루어져 빛의 투과성이 약하므로, 수소 포집용 튜브(330)는 금속그리드(230)의 길이방향을 따라 형성되어 전체 물분해 장치(10)에 빛을 노출시키는 면적을 최대화 시킬수 있다.
이는 광전극(220)과 상대전극인 전극체(330)로부터 수소와 산소가스를 효율적으로 생산하도록 하기 위함이며 수소와 산소를 각각 효율적으로 분리하기 위한 것이며, 광전극(220)과 전극체(330)의 간격이 짧을 수록 멤브레인(320)을 통한 물분해가 활발히 일어날 수 있다.
광전극 모듈(200) 및 수소포집용 튜브(300)는 물분해를 위한 수용액에 노출되도록 설치될 수 있는데, 이 때, 수용액은 산성, 중성, 염기성 수용액 중 하나로 이루어진 수용액일 수 있으며, 수소포집용 튜브(300)내에 포함하는 수용액은 염기나 산성이나 중성으로 광전극 모듈(200)과 반응하는 수용액과 각각 동일하거나 다를 수 있다.
한편, 광전극(220)은 빛을 잘 흡수할 수 있는 곳에 설치되는 것이 바람직하며, 광전극(220)의 일면에 빛이 수직하게 조사될수록 물분해의 효율이 증가될 수있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소포집용 튜브를 포함하는 물분해 장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 물분해 장치(11)는 소정의 수용공간을 가지는 내수용부(110)를 포함하는 몸체(100)와, 광전극 모듈(200) 및 수소포집용 튜브(300)를 포함한다.
광전극 모듈(200) 및 수소포집용 튜브(300)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 물분해 장치(10)와 동일한 구성 및 기능을 가지므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 물분해 장치(11)에 있어서, 광전극 모듈(200) 및 수소포집용 튜브(300)는 광전극(220)이 멤브레인(320)과 대향되도록 몸체(100)의 수용공간 내부에 형성된다.
한편, 몸체(100)의 일측에 물분해에 따른 산소를 배출하는 산소배출부(120)와 수소배출부(130)를 구비하며, 산소배출부(120)는 물분해시 광전극 모듈(200)에서 발생되는 산소를 배출하며, 수소배출부(130)는 수소포집용 튜브(300)와 연결되어 수소를 배출한다.
한편, 내수용부(110)에는 산성, 중성, 염기성 수용액 중 하나로 이루어진 수용액이 저장될 수 있으며, 수소포집용 튜브(300)내에는 내수용부(110)에 저장된 수용액과 동일하거나 다른 PH 농도를 가진 수용액이 포함될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 11: 물분해 장치
100: 몸체
110: 내수용부, 120: 산소배출부, 130: 수소배출부
200: 광전극 모듈
210: 기판, 220: 광전극, 230: 금속그리드
300: 수소포집용 튜브
310: 튜브 본체, 320: 멤브레인, 330: 전극체
100: 몸체
110: 내수용부, 120: 산소배출부, 130: 수소배출부
200: 광전극 모듈
210: 기판, 220: 광전극, 230: 금속그리드
300: 수소포집용 튜브
310: 튜브 본체, 320: 멤브레인, 330: 전극체
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- 기판과, 상기 기판 상에 광촉매 활물질로 도포되어 형성되는 광전극을 포함하는 광전극 모듈;
일측면에 홀이 형성되는 튜브 본체와, 양이온의 수소를 교환하며 물분자는 차단하되 상기 홀을 감싸도록 형성되는 멤브레인과, 도전성의 매질로 이루어지되 상기 튜브의 내부에 포함되어 물분해의 촉매가 되는 전극체를 포함하는 수소포집용 튜브; 및
상기 기판 상에 상기 광전극과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 금속그리드
를 포함하는 물분해 장치. - 삭제
- 제 3 항에 있어서, 상기 수소포집용 튜브는,
상기 금속그리드의 길이방향을 따라 상기 광전극 모듈과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 것
인 물분해 장치. - 소정의 수용공간을 가지는 내수용부를 포함하는 몸체;
기판과, 상기 기판 상에 광촉매 활물질로 도포되어 형성되는 광전극과, 상기 기판 상에 상기 광전극과 소정의 거리가 이격되어 형성되는 금속그리드를 포함하는 것인 광전극 모듈; 및
일측면에 홀이 형성되는 튜브 본체와, 양이온의 수소를 교환하며 물분자는 차단하되 상기 홀을 감싸도록 형성되는 멤브레인과, 도전성의 매질로 이루어지되 상기 튜브의 내부에 포함되어 물분해의 촉매가 되는 전극체를 포함하는 것인 수소포집용 튜브;를 포함하되,
상기 광전극 모듈 및 상기 수소포집용 튜브는 상기 광전극이 상기 멤브레인과 대향되도록 상기 몸체의 수용공간 내부에 형성되는 것
인 물분해 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 몸체의 일측에 물분해에 따른 산소를 배출하는 산소배출부를 더 포함하는 것
인 물분해 장치.
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| KR1020110130546A KR101349340B1 (ko) | 2011-12-07 | 2011-12-07 | 수소포집용 튜브 및 그를 포함하는 물분해 장치 |
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