KR101360269B1 - 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기에 관한 것으로, 전기화학적 이산화탄소 전환용 2막 콤팩트 반응기, 3막 콤팩트 반응기 및 상기 2막 콤팩트 반응기 또는 3막 콤팩트 반응기를 하나 이상 직렬로 연결한 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 다중 반응기를 제공함으로써, 반응기 부피를 줄이고, 반응기 내부의 전기 저항을 감소시켜 과전압이 줄어들게 하여 이산화탄소 전환 반응의 효율을 증가시키는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기를 제공한다.
Description
본 발명은 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기화학적 이산화탄소의 전환 반응 시 콤팩트한 단위 반응기 및 이들 단위 반응기를 직렬로 연결한 다중 반응기를 제공함으로써, 반응기 부피를 줄이고, 반응기 내부의 전기 저항을 감소시켜 과전압이 줄어들게 하여 이산화탄소 전환 반응의 효율을 증가시키는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기를 제공한다.
이산화탄소(CO2)는 지구온난화가스 중 하나로서, 세계적인 이산화탄소 배출규제 및 협약에 따라 이러한 이산화탄소의 배출은 우리나라의 경제 발전에 악영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서, 효율적이고 경제적인 이산화탄소 저감기술을 확보하는 것이 필수적이며, 화석 원료로부터 유래되는 것 이외의 에너지 자원을 개발하는 것이 필수적이 된 바, 이산화탄소 배출 저감은 국가적 과제가 되었으며, 전 세계 선진국에서는 다양한 기술을 활용하여 이산화탄소 배출을 감소시키기 위해 노력중인 실정이며, 이와 관련한 시장 전망 또한 밝다.
이산화탄소를 전환하는 기술과 관련하여 혁신적인 기술을 개발하기 위하여 자연을 모방하는 기술에 대한 개념이 적용되어 연구가 진행되고 있다. 바다는 인류가 생산하는 이산화탄소를 20 내지 30%까지 흡수하여 산호초, 조개류 등의 무기물로 전환하고 있으며 이러한 전환 기술을 이해하고 모방하는 기술은 향후 미래의 고부가가치 기술로서 평가되고 있다.
이 중에서도 해수를 활용하여 이산화탄소를 전환하는 기술의 중요성이 강조됨에 따라 효과적으로 이산화탄소를 전환하는 시스템의 개발이 필요하게 되었다. 해수를 활용한 이산화탄소 전환 기술의 전기 분해 소비 에너지는 이론적으로 0.9GJ/tCO2 까지 가능하고 과전압을 고려했을 때 현재 기술로는 약 2.6 GJ/tCO2, 추후 약 1.3 GJ/tCO2까지 소비 에너지를 최소화할 수 있을 것으로 예상한다. 이는 아민흡습법의 탈기 에너지인 4.0 GJ/tCO2보다 낮은 에너지가 소비된다는 점에서 경제성이 더 우수한 방법임을 알 수 있다. 또한 무기탄산의 전환에 따른 부생 HCl을 HCOOH로 전환하거나 부생 염소가스를 포집하여 고부가화할 수 있다. 또한 상기 전환으로 생성되는 NaHCO3는 칼슘 이온을 이용하여 CaCO3로 변환시켜 활용할 수 있다.
이와 관련한 종래의 기술로는, 전기화학적 이산화탄소 전환반응(electrochemical carbon dioxide conversion, 이하 ECC)을 개시하고 있는 미국공개특허공보 US 제7,790,012호(2010) 및 US 제 8,227,127(2012) 등이 존재한다. 그러나 상기 특허에서는 전기화학 반응기를 전해질 용액이 들어있는 액상 반응조에서 반응시키는 것이 제시되어 있고, 반응기를 경박단소화 하기 위한 내용은 포함되어 있지 않다.
본 발명에서는 해수 또는 염수를 활용하여 전기화학적으로 이산화탄소를 NaHCO3로 전환하는 단위 반응기를 설계하고, 이것을 바탕으로 하여 여러 개의 단위 반응기를 직렬로 연결하여 구성한 반응기 스택을 구현하는 방법을 개시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학적 이산화탄소 전환 반응용 반응기의 기본 구조는 양이온전해질막, 음이온 전해질막, 애노드 및 캐소드로 이루어진다. 애노드에서는 수소가 산화되어 수소이온과 전자를 생성한다. 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다.
H2(g) → 2H+ + 2e- (식 1)
애노드와 캐소드 사이에는 염수(NaCl 수용액)가 공급되고, 애노드에서 생성된 수소이온과 염소이온이 반응하여 염산을 생성한다.
캐소드에서는 물 분해 반응을 통해 생성된 OH-이온, 염수에서 공급된 Na+이온과 CO2가 반응하여 NaHCO3를 생성한다.
2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
CO2(g) + Na+ + OH- → NaHCO3 (식 2)
상기와 같은 과정을 통해 과전압을 최소화하면서 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하는 시스템을 구현하고, 동시에 처리용량을 키우도록 하기 위하여, 본 발명자들은 콤팩트한 단위 반응기를 구현하고 이들 단위 반응기를 직렬로 연결하여 다중 반응기를 제작함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 이산화탄소의 전환 반응 시 콤팩트한 단위 반응기 및 이들 단위 반응기를 직렬로 연결한 다중 반응기를 제공함으로써, 반응기 부피를 줄이고, 반응기 내부의 전기 저항을 감소시켜 과전압이 줄어들게 하여 이산화탄소 전환 반응의 효율을 증가시키는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일구현예는, 애노드 분리판; 상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판; 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 배치되는 염수 분리판; 상기 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 애노드-음이온 교환막 접합체; 및 상기 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 캐소드-양이온 교환막 접합체; 를 포함하는 이산화탄소 전환용 반응기로서, 상기 애노드 분리판, 애노드-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기를 제공한다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판은 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 표면에는 내부식성 물질이 코팅되는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 내부식성 물질은 금속, 금속 산화물 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 염수 분리판은 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 애노드-음이온 교환막 접합체에 포함되는 음이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있고, 상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 캐소드-양이온 교환막 접합체에 포함되는 양이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있고,상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 촉매는 담지 촉매이고, 상기 담지 촉매의 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 애노드 분리판; 상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판; 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 배치되는 염수 분리판; 상기 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 염산 분리판; 상기 애노드 분리판과 염산 분리판 사이에 배치되는 애노드-양이온 교환막 접합체; 상기 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 캐소드-양이온 교환막 접합체; 및 상기 염산 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 RDL-음이온 교환막 접합체;를 포함하는 이산화탄소 전환용 반응기로서, 상기 애노드 분리판, 애노드-양이온 교환막 접합체, 염산 분리판, RDL-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판은 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 표면에는 내부식성 물질이 코팅되는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 내부식성 물질은 금속, 금속 산화물 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 염산 분리판 및 염수 분리판의 양쪽 표면에는 유로가 새겨지고, 상기 유로는 상기 표면의 직각 방향으로 관통되어 반응물의 유통이 원활하도록 되어 있으며, 상기 분리판 재료로는 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 RDL-음이온 교환막 접합체에 포함되는 음이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅되지 않거나 또는 촉매가 코팅될 수 있고, 상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 애노드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드-양이온 교환막 접합체에 포함되는 양이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있고, 상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 촉매는 담지 촉매이고, 상기 담지 촉매의 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 애노드 및 캐소드 촉매는 전극으로 사용되는 반응물 확산층(RDL)의 일면에 코팅되거나 또는 RDL의 기공내부에까지 균일하게 코팅되는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 RDL은 전기 전도성과 내부식성이 있는 섬유체로 만들어지거나, 다공성의 판상으로 만들어지며, 내부에 기공이 있는 물질로서, 상기 기공이 있는 물질은 탄소블랙, 흑연, 티타늄, 철, 스테인레스스틸, 하스텔로이, 니켈 및 니켈 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이고, 상기 물질의 기공율은 10 내지 99% 인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 2막 반응기 또는 3막 반응기를 하나 이상 직렬로 연결하여 제작하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 다중 반응기를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 다중 반응기를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환 반응 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기에 의하면, 이산화탄소를 저감하고, 상기 이산화탄소의 전환에 따른 생성물을 이용하여 부가가치를 창출하는 효과가 있다.
또한, 상기 이산화탄소의 전환 반응 시 콤팩트한 단위 반응기 및 이들 단위 반응기를 직렬로 연결한 다중 반응기를 제공하여, 반응기 부피를 줄이고, 반응기 내부의 전기 저항을 감소시켜 과전압이 줄어들게 하므로 이산화탄소 전환 반응의 효율을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환 반응의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 2막 반응기를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 3막 반응기를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 염수 분리판을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 애노드 분리판 및 캐소드 분리판을 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 분리판의 유로 형태를 나타낸 것이다.
도 6b는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 분리판의 유로 형태를 나타낸 것이다.
도 7a는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 전극-이온교환막 접합체를 나타낸 것이다.
도 7b는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 RDL-이온교환막 접합체를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 다중 반응기를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 다중 반응기의 분리판을 나타낸 것이다.
도 10a 본 발명의 일구현예에 따른 캐소드-양이온교환막 접합체를 나타낸 것이다.
도 10b는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환반응기를 체결하는 과정을 나타낸 것이다.
도 11a는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 2막 반응기를 나타낸 것이다.
도 11b는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 3막 반응기를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 3막 반응기를 사용하여 이산화탄소 전환반응 실시한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 2막 반응기를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 3막 반응기를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 염수 분리판을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 애노드 분리판 및 캐소드 분리판을 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 분리판의 유로 형태를 나타낸 것이다.
도 6b는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 분리판의 유로 형태를 나타낸 것이다.
도 7a는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 전극-이온교환막 접합체를 나타낸 것이다.
도 7b는 본 발명의 일구현예에 따른 반응기에 사용되는 RDL-이온교환막 접합체를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 다중 반응기를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 다중 반응기의 분리판을 나타낸 것이다.
도 10a 본 발명의 일구현예에 따른 캐소드-양이온교환막 접합체를 나타낸 것이다.
도 10b는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환반응기를 체결하는 과정을 나타낸 것이다.
도 11a는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 2막 반응기를 나타낸 것이다.
도 11b는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 3막 반응기를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일구현예에 따른 이산화탄소 전환용 3막 반응기를 사용하여 이산화탄소 전환반응 실시한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 특히, 본 발명의 명세서를 비롯한 전반에 사용되는 용어인 “염수”는 NaCl을 포함하는 용액을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
우선, 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기에 대하여 살펴본다. 상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기는 두 가지 종류가 있다. 첫째는 2개의 전해질막과 3개의 분리판으로 구성되어 있는 반응기(이하, 2막 반응기)이고, 둘째는 3개의 전해질막과 4개의 분리판으로 구성되어 있는 반응기(이하, 3막 반응기)이다.
우선 2막 반응기인, 본 발명의 일구현예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기는, 애노드 분리판; 상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판;상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 배치되는 염수 분리판; 상기 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 애노드와 음이온 교환막의 접합체; 및 상기 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 캐소드와 양이온 교환막의 접합체; 을 포함하는 이산화탄소 전환용 반응기로서, 상기 애노드 분리판, 애노드-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는 구성을 포함한다.
여기에서 애노드라 함은 애노드 반응이 일어나는 기능을 가진 구조체로서, 본 발명에서는 반응물 확산층(reactant diffusion layer, 이하 RDL)에 애노드 촉매가 도포된 것을 가리키며, 캐소드라 함은 캐소드 반응이 일어나는 기능을 가진 구조체로서, 본 발명에서는 반응물 확산층(reactant diffusion layer, 이하 RDL)에 캐소드 촉매가 도포된 것을 가리킨다.
또한, 애노드 분리판이라 함은 애노드쪽에 위치한 분리판으로서, 애노드 반응물이 공급되는 유로를 가지고 있는 분리판을 가리키며, 캐소드 분리판이라 함은 캐소드쪽에 위치한 분리판으로서, 캐소드 반응물이 공급되는 유로를 가지고 있는 분리판을 가리킨다.
또한, 염수 분리판이라 함은, 염수가 공급되는 유로를 가지고 있으며, 이 유로를 통해 염수가 공급되는 분리판을 가리킨다.
구체적으로 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기에는 애노드 분리판과 상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판이 있다.
도 2에 도시한 단위반응기용 2막 반응기에서, 상기 애노드 분리판에는 애노드 반응물인 수소와 애노드 전해질 용액이 주입되고, 캐소드 분리판에는 캐소드 반응물인 이산화탄소와 캐소드 전해질 용액이 주입된다.
상기 애노드 분리판에 공급되는 애노드용 전해질 용액은 순수 염산 용액 또는 염산과 소금의 혼합용액을 사용하며, 상기 염산과 소금물의 농도는 각각 0.01 내지 6 몰 농도(mol/L)일 수 있고, 바람직하게는 순수 염산 0.1 내지 2 몰 농도일 수 있다.
상기 캐소드 분리판에 공급되는 캐소드용 전해질 용액은 수산화나트륨, 중탄산나트륨, 탄산나트륨 및 염화나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 수용액일 수 있으며, 상기 용질은 각각 0.01 내지 10 몰 농도(mol/L)인 것이 바람직하다.
상기 애노드 및 캐소드 분리판의 표면에는 유로가 파여져 있으며, 상기 유로를 통하여 반응물이 공급되고, 전극의 반응 생성물이 배출된다.
상기 유로의 구조는 특별히 제한되지 않으나, 일례로 도 5에 개시된 바와 같이 지그재그 형태를 가질 수 있다. 상기 유로의 폭, 깊이 및 개수 등은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 골의 폭과 깊이 및 산의 폭은 0.2 내지 5㎜일 수 있다. 또한, 상기 유로는 하나일 수도 있으나, 2개 이상일 수 있고, 상기 2개 이상의 유로가 병렬로 진행하면서 입구 또는 출구에서 만나는 형태를 가질 수도 있다.
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 재질은 특별히 제한되지는 않으나, 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 표면에는 내부식성 물질이 코팅될 수 있는데, 일례로 상기 코팅되는 내부식성 물질은 박막형태로 코팅된다.
상기 내부식성 물질은 금속, 금속 산화물 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 내부식성 물질이 분리판 표면에 박막 형태로 코팅되는 경우, 상기 분리판의 표면은 상기 표면의 수직 방향으로 전기전도성을 가져야 한다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기의 상기 2막 반응기에서 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에는 염수 분리판이 배치된다.
상기 염수 분리판을 통해 염수(NaCl을 포함하는 수용액)이 주입되고, 상기 염수에 포함된 Cl- 이온은 애노드에서 생성된 수소이온과 반응하여 염산을 생성하며, 상기 염수에 포함된 Na+ 이온은 캐소드에서 생성된 OH- 이온과 외부에서 공급된 CO2와 만나 NaHCO3를 생성하게 된다.
상기 염수 분리판은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분리판의 양쪽 면에 유로가 파여져 있으며, 상기 분리판 표면의 수직방향으로 서로 관통되어 있어서, 반응물과 전해질용액이 분리판의 좌우로 자유롭게 이동할 수 있게 되어 있다.
상기 염수 분리판은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어 내부식성을 갖는 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 2막 반응기의 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에는 애노드와 음이온 교환막의 접합체가 배치된다.
상기 애노드-음이온 교환막 접합체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 도 7a 에 나타난 구조를 가질 수 있다.
도 7a는 전극-이온교환막 접합체의 일반적인 구조를 나타낸 것으로, 이온 교환막의 양면에는 반응물 확산층(reactant diffusion layer, 이하 RDL)이 압착되어 있고, 이온 교환막과 RDL 사이에는 촉매층을 더 포함한다. 이렇게 제조된 구조체를 전극-이온교환막 접합체라 하고, 애노드가 접합된 것은 애노드-이온교환막 접합체라 하고, 캐소드가 접합된 것은 캐소드-이온교환막 접합체라 한다. 상기 애노드-음이온 교환막 접합체에 포함되는 음이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있다. 상기 촉매층은 음이온 교환막에 직접 도포하여 코팅할 수도 있는데, 상기 코팅되는 애노드용 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 촉매는 담지 촉매일 수도 있는데, 담지 촉매인 경우 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL은 전기 전도성과 내부식성이 있는 섬유체로 만들어지거나, 다공성의 판상으로 만들어지며, 내부에 기공이 있는 물질로서, 기공율은 10 내지 99%이고, 바람직하게는 50 내지 90%이며, 물질은 탄소블랙, 흑연, 티타늄, 철, 스테인레스스틸, 하스텔로이, 니켈 및 니켈 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL의 두께는 0.1 내지 10,000㎛ 범위 내일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 500㎛ 범위 내일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 2막 반응기의 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에는 캐소드와 양이온 교환막의 접합체가 배치된다.
상기 캐소드와 양이온 교환막의 접합체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 도 7a에 나타난 구조를 가질 수 있다.
도 7a를 참조하면, 상기 양이온 교환막의 양면에는 반응물 확산층(reactant diffusion layer, 이하 RDL)이 압착되어 있고, 상기 양이온 교환막과 RDL 사이에는 촉매층을 더 포함한다. 경우에 따라서는 어느 한쪽의 RDL에만 촉매층을 도포할 수 있다. 상기 촉매층은 양이온 교환막에 직접 도포하여 코팅할 수도 있는데, 상기 코팅되는 캐소드용 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 촉매는 담지 촉매일 수도 있는데, 담지 촉매인 경우 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL은 전기 전도성과 내부식성이 있는 섬유체로 만들어지거나, 다공성의 판상으로 만들어지며, 내부에 기공이 있는 물질로서, 기공율은 10 내지 99%이고, 바람직하게는 50 내지 90%이며, 물질은 탄소, 흑연, 티타늄, 철, 스테인레스스틸, 하스텔로이, 니켈 및 니켈 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL의 두께는 0.1 내지 10,000㎛ 범위 내일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 500㎛ 범위 내일 수 있다.
전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기에 사용하는 이온교환막은, 반응기의 종류에 관계없이 통상의 상업용 이온교환막을 사용한다. 예를 들어, 양이온 교환막으로는 듀퐁사의 나피온(Nafion)막을 사용하며, 음이온 교환막으로는 토쿠야마사의 네오셉타막을 사용할 수 있으며, 이외에도 다양한 종류의 음이온 및 양이온 교환막의 사용이 가능하고, 상기 이온교환막의 두께는 5 내지 500마이크로미터인 것을 사용한다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 2막 반응기의 애노드 분리판, 애노드-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는데, 이 때문에 반응기 내부의 구성 부품들이 밀착되어 조립될 수 있기 때문에, 상기 2막 반응기의 단위 반응기뿐만 아니라 반응용량을 키우기 위한 다중 반응기(아래에서 설명한다)의 부피를 크게 줄일 수 있다. 이에 따라 분리판과 전극 사이의 간격을 줄일 수 있고, 이로서 반응기 내부의 전기저항을 작게 하여 과전압을 줄이며, 이산화탄소 전환 시 전기화학 반응의 효율을 크게 증가시킬 수 있는 장점을 가진다.
그 다음 도 3에 도시한 3막 반응기인, 본 발명의 일구현예에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기는, 애노드 분리판; 상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판; 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 배치되는 염수 분리판; 상기 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 염산 분리판; 상기 애노드 분리판과 염산 분리판 사이에 배치되는 애노드-양이온 교환막 접합체; 상기 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 캐소드-양이온 교환막 접합체; 및 상기 염산 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 RDL-음이온막 접합체; 를 포함하는 이산화탄소 전환용 반응기로서, 상기 애노드 분리판, 애노드-양이온 교환막 접합체, 염산 분리판, RDL-음이온막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는 구성을 포함한다.
상기 3막 반응기는 상기 2막 반응기에 비교할 때, 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 염산 분리판을 추가하였고, 상기 애노드 분리판과 염산 분리판 사이에는 애노드-양이온 교환막 접합체를 삽입하였고, 상기 염산 분리판과 염수 분리판 사이에는 RDL-음이온막 접합체를 삽입하였다. 상기 애노드 쪽의 애노드-막 접합체에서 양이온막을 사용한 것은, 상기 염수 분리판에서 음이온 교환막을 통과해 들어온 염소이온(Cl-)이 애노드 촉매층에 침투하여 촉매의 활성을 저하시키는 것을 방지하기 위함이다. 상기 애노드에서는 수소기체가 수소이온(H+)으로 산화되고, 상기 수소이온은 상기 양이온막을 통과해 양이온막과 염산분리판 사이로 이동하여 염소이온과 결합하여 염산을 만들게 된다.
구체적으로 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기에는 애노드 분리판과 상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판이 있다.
상기 도 2의 2막 반응기의 경우에는, 애노드 분리판에는 애노드 반응물인 수소와 애노드 전해질 용액이 주입되고, 캐소드 분리판에는 캐소드 반응물인 이산화탄소와 캐소드 전해질 용액이 주입되는 반면, 상기 도 3의 3막 반응기의 경우에는, 애노드 분리판에는 애노드 반응물인 가습된 수소가 공급되고, 애노드 전해질 용액은 염산 분리판으로 주입된다. 캐소드 분리판에는 상기 2막 반응기와 동일하게 캐소드 반응물인 이산화탄소와 캐소드 전해질 용액이 주입된다. 즉, 2막 반응기와 3막 반응기의 차이는, 3막 반응기는 애노드 쪽에 양이온 교환막과 염산 분리판을 추가함으로써 반응물과 전해질용액을 넣는 방법이 달라진 것이다. 캐소드 쪽의 형태와 반응물과 전해질용액의 공급방법은 상기 두 반응기 모두 동일하다.
상기 2막 및 3막 반응기에 공급되는 애노드용 전해질 용액은 순수 염산 용액 또는 염산과 소금의 혼합용액을 사용하며, 상기 염산과 소금물의 농도는 각각 0.00 내지 6 몰 농도(mol/L)일 수 있고, 바람직하게는 순수 염산 0.1 내지 2 몰 농도일 수 있다.
상기 2막 및 3막 반응기에 캐소드 분리판에 공급되는 캐소드용 전해질 용액은 수산화나트륨, 중탄산나트륨, 탄산나트륨 및 염화나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 수용액일 수 있으며, 상기 용질은 각각 0.01 내지 10 몰 농도(mol/L)인 것이 바람직하다.
상기 2막 및 3막 반응기의 애노드 및 캐소드 분리판의 표면에는 유로가 파여져 있으며, 상기 유로를 통하여 반응물이 되고, 전극의 반응 생성물이 배출된다.
상기 유로의 구조는 특별히 제한되지 않으나, 일례로 도 5에 개시된 바와 같이 지그재그 형태를 가질 수 있다. 상기 유로의 폭, 깊이 및 개수 등은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 골의 폭과 깊이 및 산의 폭은 0.2 내지 5㎜일 수 있다. 또한, 상기 유로는 하나일 수도 있으나, 2개 이상일 수 있고, 상기 2개 이상의 유로가 병렬로 진행하면서 입구 또는 출구에서 만나는 형태를 가질 수도 있다.
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 재질은 특별히 제한되지는 않으나, 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 표면에는 내부식성 물질이 코팅될 수 있는데, 일례로 상기 코팅되는 내부식성 물질은 박막형태로 코팅된다.
상기 내부식성 물질은 금속, 금속 산화물 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으며, 상기 내부식성 물질이 분리판 표면에 박막 형태로 코팅되는 경우, 상기 분리판의 표면은 상기 표면의 수직 방향으로 전기전도성을 가져야 한다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기에서 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에는 염수 분리판이 배치된다.
상기 염수 분리판은 염수(NaCl을 포함하는 수용액)이 주입되고, 상기 염수에 포함된 Cl- 이온은 애노드 쪽으로 이동하여 애노드에서 생성된 수소이온과 반응하여 염산을 생성하며, 상기 염수에 포함된 Na+ 이온은 캐소드 쪽으로 이동하여 캐소드에서 생성된 OH- 이온 및 외부에서 공급된 CO2와 만나 NaHCO3를 생성하게 된다.
상기 염수 분리판은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기에서는 상기 2막 반응기와는 달리, 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 염산 분리판이 배치된다.
상기 염산 분리판은 염산(HCl) 수용액이 주입되고, 특히 순수 염산 0.1 내지 2 몰 농도(mol/L)가 주입되는 것이 바람직하나, 전해질용액의 이온전도도를 높이기 위해 염수나 다른 종류의 염(salt)을 첨가할 수 있다.
상기 염산 분리판은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄으로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 염산 분리판은 도4의 염수 분리판과 동일한 구조를 갖고 있어서, 양쪽면의 유로가 서로 좌우로 관통되어 있기 때문에 전해질용액과 반응물의 이동이 원활하다. 상기의 염산 분리판과 염수 분리판은 도 5의 곡사형 유로를 갖는 형태뿐만 아니라, 도6과 같은 대칭형 유로나 섬형 유로로 만들 수도 있다. 이외에도 상기 분리판들은 반응물의 공급과 생성물의 배출을 원활히 할 수 있도록 최적화된 다양한 형태의 유로구조를 갖도록 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기의 애노드 분리판과 염산 분리판 사이 및 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에는 애노드-양이온 교환막 접합체와 캐소드-양이온교환막 접합체가 각각 배치된다.
상기 3막 반응기에 사용하는 전극-이온교환막 접합체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 도 7a에 나타난 구조를 가질 수 있으며, 애노드용 전극-막 접합체나 캐소드용 전극-막 접합체의 기본적인 구조는 동일하다.
도 7a를 참조하면, 상기 3막 반응기에 사용하는 애노드용 양이온 교환막의 양면에는 반응물 확산층(reactant diffusion layer, 이하 RDL)이 압착되어 있고, 상기 양이온 교환막과 RDL 사이에는 촉매층을 더 포함한다. 그러나, 경우에 따라서는 양쪽의 RDL 중에서 한쪽에는 촉매층이 도포되지 않을 수도 있다. 상기 애노드에 사용하는 촉매층은 양이온 교환막에 직접 도포하여 코팅할 수도 있는데, 상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 촉매는 담지 촉매일 수도 있는데, 담지 촉매인 경우 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL은 전기 전도성과 내부식성이 있는 섬유체로 만들어 지거나, 다공성의 판상으로 만들어지며, 내부에 기공이 있는 물질로서, 기공율은 10 내지 99%이고, 바람직하게는 50 내지 90%이며, 물질은 탄소블랙, 흑연, 티타늄, 철, 스테인레스스틸, 하스텔로이, 니켈 및 니켈 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL의 두께는 0.1 내지 10,000㎛ 범위 내일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 500㎛ 범위 내일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기의 염산 분리판과 염수 분리판 사이에는 RDL과 음이온 교환막의 접합체가 배치된다.
상기 RDL-음이온 교환막 접합체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 도 7b에 나타난 구조를 가질 수 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 음이온 교환막의 양면에는 반응물 확산층(reactant diffusion layer, 이하 RDL)이 압착되어 있으며, 상기 음이온 교환막과 RDL 사이에는 촉매층을 포함하지 않는데, 경우에 따라서는 촉매층을 더 포함시킬 수도 있다.
상기 RDL은 전기 전도성과 내부식성이 있는 섬유체로 만들어 지거나, 다공성의 판상으로 만들어지며, 내부에 기공이 있는 물질로서, 기공율은 10 내지 99%이고, 바람직하게는 50 내지 90%이며, 물질은 탄소, 흑연, 티타늄, 철, 스테인레스스틸, 하스텔로이, 니켈 및 니켈 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 RDL의 두께는 0.1 내지 10,000㎛ 범위 내일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 500㎛ 범위 내일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기의 염수 분리판과 캐소드 분리판 사이에는 캐소드와 양이온 교환막의 접합체가 배치된다.
상기 캐소드-양이온막 접합체는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 도 7a에 나타난 구조를 가질 수 있다.
도 7a를 참조하면, 상기 양이온 교환막의 양면에는 RDL이 압착되어 있으며, 상기 음이온 교환막과 RDL 사이에는 촉매층을 더 포함한다. 그러나, 경우에 따라서는 양쪽의 RDL 중에서 한쪽에는 촉매층이 도포되지 않을 수도 있다. 상기 캐소드에 사용하는 촉매층은 양이온 교환막에 직접 도포하여 코팅할 수도 있는데, 상기 사용되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 촉매는 담지 촉매일 수도 있는데, 담지 촉매인 경우 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 3막 반응기의 애노드 분리판, 애노드-양이온 교환막 접합체, 염산 분리판, RDL-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는데, 이 때문에 반응기 내부의 구성 부품들이 밀착되어 조립될 수 있기 때문에, 상기 3막 반응기와 같은 단위 반응기뿐만 아니라 반응용량을 키우기 위한 다중 반응기(아래에서 설명한다)의 부피를 크게 줄일 수 있다. 이에 따라 분리판과 전극 사이의 간격을 줄일 수 있고, 이로서 반응기 내부의 전기저항을 작게 하여 과전압을 줄이며, 이산화탄소 전환 시 전기화학 반응의 효율을 크게 증가시킬 수 있는 장점을 가진다.
상기 설명한 2막 반응기 또는 3막 반응기 여러 개를 각각 직렬 연결하여 다중 반응기를 제작할 수 있다. 상기 다중 반응기를 제작하는 이유는 상기 이산화탄소 전환 용량을 높이기 위함이다. 상기 3막 반응기들을 직렬 연결하여 다중 반응기를 제작한 것은 예시적으로 도 8에서 구현된다. 상기 도 8에서는 3막 반응기 여러 개를 직렬로 연결하고, 최외각에 위치한 애노드 분리판의 외부에는 애노드 끝판이 배치되고, 최외각에 위치한 캐소드 분리판의 외부에는 캐소드 끝판이 배치되는데, 상기 애노드 끝판 및 캐소드 끝판에는 반응물을 주입하거나 또는 배출하는 통로가 설치되어 있으며, 상기 끝판에서 반응물의 입구와 배출물의 출구 위치는 필요에 따라 조정될 수 있다.
상기 다중 반응기에서 분리판은 예시적으로 도 9에서 구현된 것과 같으며, 애노드 분리판, 캐소드 분리판, 염산 분리판 및 염수 분리판의 유로는 상기 설명된 바와 같은 구조를 가지고 있으나, 별도로 여러 층에 걸쳐 반응물의 공급과 생성물의 배출을 원활하게 하기 위해 매니폴드가 설치될 수 있다.
상기 애노드 및 캐소드 끝판의 반응물 입구 및 배출물 출구에는 반응물 또는 배출물이 섞이지 않도록 가스켓이 추가로 포함될 수 있으며, 체결 볼트 구멍을 추가로 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 다중반응기에 삽입되는 전극-이온교환막 접합체의 전극 밖으로 연장되어 있는 이온교환막 부분에도 상기 도 9의 매니폴드용 구멍이 뚫려지게 된다.
상기 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 다중 반응기는 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하는 반응 시스템이라면 제한되지 않고 활용될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
실시예
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전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기를 만들기 위해 전극-이온교환막 접합체와 분리판을 만들고, 이것들을 체결하여 2막 반응기와 3막 반응기를 각각 제작하였다. 도 10a는 캐소드와 양이온교환막의 접합체를 보여준다. 캐소드 촉매로는 백금촉매(Johnson-Matthey)를 사용하였고, 반응물확산층(RDL)로는 카본종이 (Toray), 양이온교환막으로는 나피온115 (듀퐁), 음이온교환막으로는 네오셉타(토쿠야마)를 사용하였다. 애노드 분리판, 캐소드 분리판 및 염수 분리판은 티타늄 금속을 사용하여 제작하였다. 도 10b는 이러한 부품들을 사용하여 반응기를 체결하는 과정을 보여주는 것이다. 도 11a는 이러한 과정을 거쳐 제작한 2막 반응기이고, 도 11b는 3막 반응기이다.
실시예
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상기 실시예 1에서 제작한 3막 반응기를 사용하여 전기화학적 이산화탄소 전환반응을 진행하였다. 애노드에는 가습된 수소를 공급하고, 염산분리판에는 0.1M 수용액을 공급하고, 염수는 2M NaCl을 공급하고, 캐소드에는 이산화탄소와 캐소드 전해질 용액 (0.5M NaCl + 0.1M NaOH)를 공급하였다. 애노드에는 직류전원의 (+)극을 연결하고, 캐소드에는 (-)극을 연결하여, 1.0V, 2.0V, 3.0V로 전압을 변화시키면서 이산화탄소 전환반응에 소요되는 전류량을 측정하였다. 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 부가된 전압이 증가할수록 소비되는 전류가 증가하였으며, 이를 통해 본 발명에서 고안한 3막 반응기가 잘 운전됨을 알 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
1: 양이온 교환막 2: 음이온교환막
3: 캐소드 촉매층 4: 반응물 확산층
5: 애노드 촉매층 6: 애노드 분리판
7: 소금물 분리판 8: 가스켓
9: 캐소드 반응물 10: 캐소드 배출물
11: 애노드 반응물 12: 애노드 배출물
13: 염수 14: 반응물 주입구
15: 반응물 배출구 16: 분리판 유로
17a: 골의 폭 17b: 골의 깊이
18: 산의 폭
19: 반응기 체결용 볼트구멍 20: 소금물 주입구
21: 소금물 배출구 22: 관통된 유로
23: 애노드용 양이온 교환막
24: 캐소드-양이온 교환막 접합체
25: 애노드-양이온 교환막 접합체
26: RDL-음이온 교환막 접합체
27: 염산 분리판 28: 애노드 전해질 용액
30: 체결볼트
31: 절연체 32: 대칭형 유로
33: 섬형 유로
41: 양극판 42: 애노드 끝판
43: 캐소드 끝판 44: 가스켓
45: 반응물 공급용 매니폴드
3: 캐소드 촉매층 4: 반응물 확산층
5: 애노드 촉매층 6: 애노드 분리판
7: 소금물 분리판 8: 가스켓
9: 캐소드 반응물 10: 캐소드 배출물
11: 애노드 반응물 12: 애노드 배출물
13: 염수 14: 반응물 주입구
15: 반응물 배출구 16: 분리판 유로
17a: 골의 폭 17b: 골의 깊이
18: 산의 폭
19: 반응기 체결용 볼트구멍 20: 소금물 주입구
21: 소금물 배출구 22: 관통된 유로
23: 애노드용 양이온 교환막
24: 캐소드-양이온 교환막 접합체
25: 애노드-양이온 교환막 접합체
26: RDL-음이온 교환막 접합체
27: 염산 분리판 28: 애노드 전해질 용액
30: 체결볼트
31: 절연체 32: 대칭형 유로
33: 섬형 유로
41: 양극판 42: 애노드 끝판
43: 캐소드 끝판 44: 가스켓
45: 반응물 공급용 매니폴드
Claims (20)
- 애노드 분리판;
상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판;
상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 배치되는 염수 분리판;
상기 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 애노드-음이온 교환막 접합체; 및
상기 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 캐소드-양이온 교환막 접합체; 를 포함하는 이산화탄소 전환용 반응기로서,
상기 애노드 분리판, 애노드-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 1 항에 있어서,
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판은 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 2 항에 있어서,
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 표면에는 내부식성 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환용 반응기. - 제 3 항에 있어서,
상기 내부식성 물질은 금속, 금속 산화물 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 1 항에 있어서,
상기 염수 분리판은 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 1 항에 있어서,
상기 애노드-음이온 교환막 접합체에 포함되는 음이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있고,
상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드-양이온 교환막 접합체에 포함되는 양이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있고,
상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 촉매는 담지 촉매이고,
상기 담지 촉매의 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 애노드 분리판;
상기 애노드 분리판과 대향되게 배치되는 캐소드 분리판;
상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 배치되는 염수 분리판;
상기 애노드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 염산 분리판;
상기 애노드 분리판과 염산 분리판 사이에 배치되는 애노드-양이온 교환막 접합체;
상기 캐소드 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 캐소드-양이온 교환막 접합체; 및
상기 염산 분리판과 염수 분리판 사이에 배치되는 RDL-음이온 교환막 접합체;를 포함하는 이산화탄소 전환용 반응기로서,
상기 애노드 분리판, 애노드-양이온 교환막 접합체, 염산 분리판, RDL-음이온 교환막 접합체, 염수 분리판, 캐소드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드 분리판은 체결 볼트 또는 벨트로 압착하여 체결되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판은 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 10 항에 있어서,
상기 애노드 분리판 및 캐소드 분리판의 표면에는 내부식성 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 11 항에 있어서,
상기 내부식성 물질은 금속, 금속 산화물 및 고분자 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 염산 분리판 및 염수 분리판의 양쪽 표면에는 유로가 새겨지고, 상기 유로는 상기 표면의 직각 방향으로 관통되어 반응물의 유통이 원활하도록 되어 있으며,
상기 분리판 재료로는 스테인레스스틸, 티타늄, 그래파이트, 복합 탄소체, 인코넬, 하스텔로이, 니켈 합금, 모넬, 지르코늄 및 니켈로 이루어지는 금속군 또는 아세탈(polyacetal 또는 polyoxymethylene), 폴리카보네이트, 아크릴(폴리아크릴로나이트릴 또는 메타메틸아크릴릭산), 유리섬유 강화에폭시, 테프론(폴리테트라플루오르에틸렌), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 플라스틱군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 RDL-음이온 교환막 접합체에 포함되는 음이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅되지 않거나 또는 촉매가 코팅될 수 있고,
상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 애노드-양이온 교환막 접합체 및 캐소드-양이온 교환막 접합체에 포함되는 양이온 교환막의 일면 또는 양면에는 촉매가 코팅될 수 있고,
상기 코팅되는 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 크롬, 세륨, 스칸듐, 바나듐, 철, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 은, 오스뮴, 금, 비스무스, 니오븀, 아연, 몰리브데늄, 티타늄 및 이들의 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 된 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
상기 촉매는 담지 촉매이고,
상기 담지 촉매의 담체는 그래핀, 티타니아, 알루미나, 세리아, 실리카, 지르코니아, 카본블랙, 그래파이트 및 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
애노드 및 캐소드 촉매는 전극으로 사용되는 반응물 확산층(RDL)의 일면에 코팅되거나 또는 RDL의 기공내부에까지 균일하게 코팅되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 17 항에 있어서,
상기 RDL은 전기 전도성과 내부식성이 있는 섬유체로 만들어지거나, 다공성의 판상으로 만들어지며, 내부에 기공이 있는 물질로서,
상기 기공이 있는 물질은 탄소블랙, 흑연, 티타늄, 철, 스테인레스스틸, 하스텔로이, 니켈 및 니켈 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이고,
상기 물질의 기공율은 10 내지 99% 인 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기. - 제 1 항 또는 제 9 항에 따른 반응기를 하나 이상 직렬로 연결하여 제작하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 다중 반응기
- 제 19 항에 따른 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 다중 반응기를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 전환 반응 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020120138493A KR101360269B1 (ko) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기 |
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|---|---|---|---|
| KR1020120138493A KR101360269B1 (ko) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | 전기화학적 이산화탄소 전환용 콤팩트 반응기 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101360269B1 true KR101360269B1 (ko) | 2014-02-12 |
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|---|---|---|---|
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