KR101596250B1 - 대면적 광화학적 수소 발생 유닛，이를 포함하는 대용량 물분해 장치 및 그에 사용되는 광전극 모듈 - Google Patents
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Abstract
대면적 및 대용량을 가지며, 용량의 확장이 용이한 수소 발생 유닛이 개시된다. 본 발명은 도전성 기판 상의 일면에 형성된 광활성 반도체층을 구비하는 복수의 광전극과, 상기 광전극에 대응하여 도전성 기판의 타면 상에 형성된 바이어스 전압 소스로서의 바이어스 전원을 구비한 광전극 모듈; 상기 광활성 반도체층과 대면하는 위치에 설치되어, 상대전극으로 작용하며 생성된 수소를 포집하는 수소 포집 모듈; 및 상기 광전극 모듈 및 수소 포집 모듈이 탑재되며, 전해질 수용액을 저장하는 반응조를 포함하는 광화학적 수소 발생 유닛을 제공한다. 본 발명에 따른 수소 발생 유닛은 대면적을 가지며, 면적의 확장이 용이한 광전극을 구비하며, 단위 유닛의 조합에 의해 수소의 생산량을 용이하게 확장할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 물분해 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적의 단위 용량을 갖고, 용량의 확장이 용이하도록 광촉매를 이용한 물분해 장치에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 제조하는데 있어서, 물을 분해하는 방법을 주로 이용한다. 한편, 물을 분해하는데 있어서 수용액에 전기적으로 연결된 양극과 음극을 담구어 전원을 인가하여 전기분해하는 방법이 널리 이용되고 있다.
물의 전기 분해 방식에는 태양광을 에너지원으로 수소를 제조하는 광화학적 방식이 널리 알려져 있으며, 예를 들어 광전기화학적 방식, 광촉매 방식 등이 제안되어 있다.
광전기화학적 방식은 반도체성 광전극과 상대전극, 전해액으로 구성된 수조 에서 광에 의해 광촉매 전극을 여기시키고 이에 의해 생성된 전자 정공 쌍을 이용하여 물을 분해하는 방식이다. 이 방식은 광전극의 제조 비용이 비싸고, 광효율이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 광촉매를 이용한 방식은 반도체성 촉매를 물에 분산시키거나 막 형태로 기판에 고정하여 물을 광분해하는 방식인데, 도 1은 이와 같은 광촉매 방식에서 물을 광분해하는 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, n형 반도체를 수용액에 담지하면, 전극으로부터 용액으로 전자 이동이 발생하여 고액 계면 부근에 반도체 캐리어 밀도가 낮아지게 되는데, 이로 인해 반도체 표면으로부터 수백 nm에 걸쳐 정전하층이 형성되며 전도대와 가전자대에 계면 구배가 발생하게 된다(도 1의 (a)).
이와 같은 상태에서 반도체에 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광을 조사하면 가전자대로부터 전도대로 전자가 여기 되지만, 밴드 구배 때문에 전자는 내부로 정공은 외부로 향하는 힘을 받는다. 이 결과, 전자와 정공의 분리가 효율적으로 이루어지고, 광전극에서 생성된 전자는 도선을 통하여 상대 전극으로 이동하여 상대 전극에서 수소를 발생시킨다. 이 때, 외부로부터 전원을 인가하지 않고 광분해를 진행하기 위해서는 반도체의 밴드 갭이 물의 전해 전압보다 커야 하는데, 따라서 사용되는 반도체의 종류에 따라 외부 전원의 인가 여부가 결정되게 된다.
미국특허 제6,936,143호는 WO3 또는 Fe2O3와 같은 광활성 물질을 포함하는 FTO 글라스로 이루어진 광전극과 염료감응형 TiO2층을 직렬로 연결하여, 염료감응형 전지에서 발생하는 전압을 광전극의 바이어스 전압원으로 하는 물분해 시스템을 제시한 바 있다.
또한, 미국특허 제7,122,873호는 실리콘 반도체 웨이퍼위에 Fe2O3 와 WO3 와 같은 산화물반도체를 직접 코팅하여 만들어진 광전극으로 물을 분해하여 수소를 제조하는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 기술들은 작은 면적의 광전극을 이용하여 수소를 발생시키는 장비로 수소의 생산량이 적을 뿐 아니라 장치의 대면적화가 어렵다는 단점을 가지고 있다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 간단한 구조를 가지면서 대면적, 대용량의 수소 발생 장치, 그에 사용되는 수소 발생 유닛, 그리고 광전극 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 용량의 확장이 용이한 수소 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 도전성 기판 상의 일면에 형성된 광활성 반도체층을 구비하는 복수의 광전극과, 상기 광전극에 대응하여 도전성 기판의 타면 상에 형성된 바이어스 전압 소스로서의 바이어스 전원을 구비한 광전극 모듈; 상기 광활성 반도체층과 대면하는 위치에 설치되어, 상대전극으로 작용하며 생성된 수소를 포집하는 수소 포집 모듈; 및 상기 광전극 모듈 및 수소 포집 모듈이 탑재되며, 전해질 수용액을 저장하는 반응조를 포함하는 광화학적 수소 발생 유닛을 제공한다.
본 발명에서 상기 광활성 반도체층은 Fe2O3 또는 WO3를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 광활성 반도체층은 이격된 복수의 격자 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 도전성 기판은 FTO, ITO 및 IZO로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 복수의 광전극에 대응하여 복수의 개공부가 형성된 광전극 고정 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 광전극은 상기 광전극 고정 부재 내에 탑재될 수 있다.
또한, 상기 광전극 고정 부재 하부에는 투광성 절연 부재가 더 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 바이어스 전원은 상기 광활성 반도체층의 격자 패턴에 대응하는 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 바이어스 전원은 염료 감응형 광전극 또는 실리콘 광전극으로 구성되는 태양전지나 바이어스 전력을 외부에서 공급하는 것일 수 있다.
또한, 상기 수소 포집 모듈은, 상기 기판의 일방향으로 연장되는 배출 튜브와, 상기 배출 튜브로부터 분기되는 분기 튜브를 구비할 수 있다.
본 발명에서 상기 수소 포집 모듈은, 생성된 수소를 상기 반응조 외부로 배출하기 위해 최소한 일부에 수소 이온 투과막을 구비한 튜브 구조; 및 상기 튜브 구조 내에 삽입된 전극체를 포함하고, 상기 튜브 구조는 상기 기판의 일방향으로 연장되는 배출 튜브와 상기 배출 튜브로부터 분기되는 분기 튜브를 구비할 수 있다.
또한, 상기 전극체는 Pt, Pd, Ru, Ir 및 CoMo로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 금속 또는 그 금속의 합금일 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 도전성 기판 상의 일면에 형성된 광활성 반도체층을 구비하는 복수의 광전극과, 상기 광전극에 대응하여 도전성 기판의 타면 상에 형성된 바이어스 전압 소스로서의 바이어스 전원을 구비한 물분해용 광전극 모듈을 제공한다.
본 발명에서 상기 도전성 기판과 상기 바이어스 전원 사이에 투광성 절연 부재가 개재될 수 있다.
또한, 상기 광전극은 상기 광활성 반도체층에서 발생하는 전하를 수송하기 위하여 상기 도전성 기판에 형성되는 도전성 금속 스트립을 더 포함할 수 있다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 전술한 광화학적 수소 발생 유닛이 복수개 구비되며, 상기 수소 발생 유닛에 전해질 수용액을 공급하기 위한 펌프와, 상기 수소 발생 유닛에서 생성된 수소 기체를 포집하기 위한 포집 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학적 물분해 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 각각의 수소 발생 유닛은 대면적을 가지며, 면적의 확장이 용이한 광전극을 구비할 수 있어 단위 유닛에서 발생하는 수소의 생산량을 용이하게 확장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 수소 발생 유닛은 이를 복수개 설치함으로써 대용량의 수소 발생 장치를 구성하는 것을 용이하게 한다.
도 1은 광촉매 방식의 물분해하는 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물분해 수소 발생 유닛을 개략적으로 도시한 정면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광전극 모듈(200)의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 광전극 모듈(200)의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소 포집 모듈(300)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8는 도 7의 분기 튜브(320) 일부에 수소 이온 투과막이 구비된 것을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 수소 발생 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물분해 수소 발생 유닛을 개략적으로 도시한 정면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광전극 모듈(200)의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 광전극 모듈(200)의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소 포집 모듈(300)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8는 도 7의 분기 튜브(320) 일부에 수소 이온 투과막이 구비된 것을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 수소 발생 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물분해 수소 발생 유닛을 개략적으로 도시한 정면도 및 평면도이다.
도시된 바와 같이, 수소 발생 유닛(10)은 반응조(100), 광전극 모듈(200) 및 수소 포집 모듈(300)로 구성된다.
상기 반응조(100)는 내부에 전해질 수용액을 저장하며, 광의 투과를 보장하는 한 임의의 구조나 형상으로 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 반응조(100)는 원기둥 또는 사각기둥 형상으로 구현될 수 있다.
예시적으로, 도시된 반응조(100)는 튜브 형태의 실린더(110)와 상기 실린더를 개폐하는 캡(120)을 구비할 수 있다. 상기 캡(120)에는 전해질 수용액의 투입 및 배출을 위한 공급구(140)가 구비되어 있다.
또한, 상기 반응조(100)에는 광전극 모듈(200)이 장착된다. 상기 광전극 모듈(200)은 적절한 지지 수단에 의해 상기 반응조(100) 내부에 고정될 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만 상기 광전극 모듈(200)은 수소 포집 모듈(300)과의 전기적 연결을 위하여 상기 반응조 외부 또는 내부에 구비된 배선 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응조(100)에는 수소 포집 모듈(300)이 장착된다. 상기 수소 포집 모듈(300)에서 포집된 수소는 상기 반응조(100)에 형성된 배기구(130)를 통해 반응조 외부로 유도된다.
상기 수소 포집 모듈(300)은 상기 광전극 모듈(200)에 대향하되, 소정 거리 이격되어 설치된다. 상기 수소 포집 모듈은 튜브 구조를 구비한다. 상기 튜브 구조는 배기구(130)와 연결되며, 포집된 수소를 외부로 배출하기 위한 배출 튜브(310)와 상기 배출 튜브(310)로부터 분기되는 복수의 분기 튜브(320)로 구성될 수 있다. 상기 배출 튜브(310) 및 분기 튜브(320)는 광의 입사 방향으로 하단의 광전극 모듈(200)의 수광부 즉 광활성 반도체층을 차단하지 않도록 적절한 위치에 배치된다. 즉 상기 튜브 구조는 상기 광전극 모듈면으로의 투영면이 상기 광전극 모듈(200)의 광활성 반도체층과 최대한 겹치지 않도록 배치된다.
본 발명에서 상기 광전극 모듈(200)은 다양한 형태로 설계될 수 있다. 이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 적용 가능한 광전극 모듈을 설명한다.
먼저, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광전극 모듈(200)의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 광전극 모듈(200)은 광전극 고정 부재(210), 광전극(220), 바이어스 전원 고정 부재(240), 바이어스 전원(250) 및 절연 부재(230, 260)로 구성된다.
상기 광전극(220)은 상기 광전극 고정 부재(210)에 장착된다. 상기 광전극 고정 부재(210)는 복수의 광전극(220)이 장착 가능하도록 복수의 구획된 영역을 구비하고 있다.
상기 광전극 모듈(200)은 상기 광전극(220)에 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원(250)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 상기 광전극(220)의 하부에 바이어스 전원(250)이 제공되어 있다. 상기 바이어스 전원(250)은 다양한 방식으로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 태양 전지로 구현되는 것이 좋다. 이 경우, 태양 전지는 상기 도전성 기판을 투과한 광을 흡수하여 기전력을 발생한다.
상기 바이어스 전원은 상기 반도체층의 광활성에 의해 제공되는 물분해 전압에 부가하여 안정적인 물분해 반응을 위한 추가적인 전압을 제공한다. 이를 위해 상기 바이어스 전원은 상대 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 바이어스 전원은 상기 광전극(220)과 함께 물분해 전압(1.23V)를 초과하는 예컨대 1.4V 이상의 과전압을 인가하도록 설계된다. 본 발명에서 바이어스 전원은 염료감응형 TiO2막 또는 실리콘 태양 전지막에 의해 구현될 수 있다. 물론, 이와 달리 본 발명에서 상기 바이어스 전원으로는 1차 전지 또는 2차 전지가 사용될 수도 있을 것이다.
상기 광전극(220)과 상기 바이어스 전원(250) 사이에는 절연 부재(230)가 개재된다. 상기 절연 부재(230)은 내화학성, 투광성 및 절연성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 절연 부재(230)은 하부의 바이어스 전원(250)이 전해질 용액과 접촉하지 않도록 보호하는 보호층으로서도 기능한다. 상기 절연 부재(230)와 상기 광전극 고정 부재(210)에는 상호 결합을 위한 결합홈(216, 236)이 구비될 수 있다. 본 발명에서 상기 절연 부재(230)는 아크릴 수지 등의 소재로 구현될 수 있을 것이다.
상기 바이어스 전원(250)은 상기 바이어스 전극 고정 부재(240) 내에 장착된다. 상기 바이어스 전원이 장착된 상기 바이어스 전원 고정 부재 하단부는 절연 부재(260)에 의해 밀봉된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 상기 바이어스 전원이 전해질 용액과 접촉하지 않도록 상기 광전극 모듈의 측면은 적절히 실링될 수 있다.
도 5는 도 4의 광전극 모듈(200)을 분해 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서 광전극 모듈(200)은 복수층의 합착 구조로 형성될 수 있다.
상기 광전극 모듈(200)은 광전극(220), 상기 광전극이 장착되는 고정 부재(210)를 포함한다. 상기 고정 부재(210)는 복수의 구획된 개공부(214)를 구비하는 지지체(214)로 구성된다. 상기 광전극(220)은 상기 광전극 고정 부재(210)의 개공부(214)에 대응하여 삽입되며, 상기 개공부(214)를 통해 전해질 용액에 노출된다. 상기 광전극(220)이 삽입된 후 상기 광전극 고정 부재(210) 하단에는 절연 부재(230)가 설치된다. 이어서, 상기 광전극 고정 부재(210)와 상기 절연 부재는 나사 등의 수단에 의해 결합홈(216, 236)으로 기계적으로 결합되며, 상기 광전극 고정 부재(210)는 내부에 광전극(220)을 수납하게 된다.
상기 바이어스 전원(250)은 상기 바이어스 전원 고정 부재(240)의 개공부(244)에 삽입되며, 상기 바이어스 전원 고정 부재(240)의 하부에는 절연 부재(260)가 부착된다.
상기 바이어스 전원 고정 부재(240)는 상기 절연 부재(230)를 사이에 두고 상기 광전극측과 합착된다. 상기 바이어스 전원 고정 부재(240)에는 도전성 리드(246)가 구비되어 상기 바이어스 전원(250)과 상대전극을 전기적으로 연결한다.
도 6은 본 발명의 광전극 모듈을 구성하는 광전극(220)의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 광전극(220)은 도전성 기판(222), 광활성 반도체층(224) 및 도전성 스트립(226)으로 구성될 수 있다.
상기 도전성 기판(222)으로는 금속 재질의 기판 또는 도전성 산화물 재질의 기판이 사용될 수 있다. 상기 도전성 산화물로는 예를 들어 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물 또는 이들 산화물의 고용체인 FTO, ITO, IZO 등이 사용될 수 있다.
상기 반도체층(224)은 광촉매 활성을 갖는 반도체성 물질 예컨대 Fe2O3, WO3, TiO2, 또는 SrTiO3와 같은 반도체 산화물로 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 반도체층(224)은 격자화 된 패턴으로 구현되어, 각 격자 사이에 도전성 기판의 일부가 개방되도록 설계될 수 있다.
상기 도전성 스트립(226)은 상기 도전성 기판(222)에 비해 낮은 전기적 저항의 금속으로 구현될 수 있다.
상기 도전성 스트립은 다음과 같이 작용한다. 예컨대, 광전극의 기판으로 FTO 글라스와 같은 투명 전도성 기판을 사용할 경우 전극의 면적이 증가함에 따라 전극 기판의 내부 저항으로 광전류 밀도가 급격히 감소하는 현상이 불가피하다. 따라서, 상기 도전성 스트립(226)을 반도체층(224)의 격자 패턴에 인접하게 형성함으로써, 반도체층(224)에서 생성된 전자가 상대 전극으로 용이하게 전달되도록 할 수 있다. 그러한 측면에서 상기 도전성 스트립(226)은 상기 격자 패턴 사이에 연장되도록 형성되는 것이 바람직하다.
당업자라면, 이상 설명한 광전극 모듈의 기능을 수행하는 데에 다양한 변형이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명에서 광전극 모듈은 합착 구조가 아닌 일련의 프로세스로 구성 부분이 적층된 구조로 구현될 수도 있다. 예컨대, 광전극이 형성된 고정 부재(210)의 이면에 코팅 등의 방식으로 투광성 절연 부재(230)가 형성될 수 있으며, 상기 코팅된 절연 부재(230) 상에 바이어스 전원(250)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 바이어스 전원(250)은 적절한 보호막에 의해 전해질 수용액과 격리될 수도 있을 것이다. 이 경우 광전극 모듈의 실링이나 합착을 위한 결합홈은 요구되지 않을 수 있다.
도 7은 본 발명의 수소 포집 모듈(300)을 개략적으로 도시한 도면이다. 수소 포집 모듈(300)은 일련의 튜브 구조를 포함한다. 상기 튜브 구조는 반응조 또는 도전성 기판의 길이 방향으로 연장되는 배출 튜브(310)와, 상기 배출 튜브(310)로부터 분기된 복수의 분기 튜브(320)로 구성될 수 있다. 본 발명에서 상기 튜브 구조(310, 320)의 내부에는 상대 전극으로 작용하는 전극체(330)가 구비된다.
본 발명에서 상기 튜브 구조의 최소한 일부에는 수소 이온 투과막이 구비된다. 도 8는 도 7의 분기 튜브(320) 일부에 수소 이온 투과막이 구비된 것을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 분기 튜브(320)의 내부에는 전극체(330)가 제공되며, 상기 분기 튜브(320)의 일부 표면에 스트립 형상의 수소 이온 투과막(324)이 부착되어 있다. 상기 전극체(330)는 Pt, Pd, Ru, Ir, CoMo, CoMo 합금 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, 상기 전극체는 광전극에 대한 상대 전극으로 작용하며, 해리된 수소 이온에 전자를 공급한다.
본 발명에서 상기 수소 수집 모듈(300)의 작용은 다음과 같다. 광전극(바이어스 광전극 포함) 및 상대 전극 사이에 인가된 전압에 의해 전해질 용액의 물 분자가 분해되고, 분해된 수소 이온은 상대 전극으로 작용하는 전극체(330)로 이동한다. 본 발명에서 상기 튜브(310, 320)의 수소 이온 투과막은 수소 이온을 선택적으로 투과한다. 전극체(300)는 투과된 이온에 전자를 공급하여 수소 기체를 발생시킨다. 상기 수소 포집 모듈(330)에 포집된 수소는 상기 유닛(10)의 배출구(130)을 통과하여 외부의 저장 장치에 저장될 수 있다.
도 9는 전술한 수소 발생 유닛으로 이루어지는 대용량의 수소 발생 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 일련의 수소 발생 유닛(10)이 병렬로 연결되어 있다. 각각의 수소 발생 유닛(10)은 수소 배출구(130) 및 전해질 수용액의 공급구(140)를 구비하고 있다.
각각의 수소 발생 유닛(10)에서 발생한 수소 기체는 수소 배출관(12)을 통해 소정의 저장 장치에서 수집될 수 있다. 또한, 각각의 수소 발생 유닛(10)의 반응조내의 전해질 수용액을 순환시키기 위한 전해질 공급관(14)과 순환 펌프(도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 이상의 구조를 갖는 본 발명의 수소 발생 장치는 수소 발생 유닛의 추가에 의해 손쉽게 용량을 확장시킬 수 있게 된다.
10 수소 발생 유닛 12 수소 배출관
14 전해질 공급관 100 반응조
110 실린더 120 캡
130 수소 배기구 140 전해질 공급구
200 광전극 모듈 210 광전극 고정 부재
212 지지체 214 개공부
216 결합홈 220 광전극
222 도전성 기판 224 광활성 반도체층
226 도전성 스트립 230 투광성 절연 부재
236 결합홈 240 바이어스 전원 고정 부재
244 개공부 246 도전성 리드
250 바이어스 전원 260 절연 부재
300 수소 포집 모듈 310 배출 튜브
320 분기 튜브 324 수소 이온 투과막
330 전극체
14 전해질 공급관 100 반응조
110 실린더 120 캡
130 수소 배기구 140 전해질 공급구
200 광전극 모듈 210 광전극 고정 부재
212 지지체 214 개공부
216 결합홈 220 광전극
222 도전성 기판 224 광활성 반도체층
226 도전성 스트립 230 투광성 절연 부재
236 결합홈 240 바이어스 전원 고정 부재
244 개공부 246 도전성 리드
250 바이어스 전원 260 절연 부재
300 수소 포집 모듈 310 배출 튜브
320 분기 튜브 324 수소 이온 투과막
330 전극체
Claims (15)
- 도전성 기판 상의 일면에 형성된 광활성 반도체층을 구비하는 복수의 광전극과, 상기 광전극에 대응하여 도전성 기판의 타면 상에 형성된 바이어스 전압 소스로서의 바이어스 전원을 구비한 광전극 모듈;
상기 광활성 반도체층과 대면하는 위치에 설치되어, 상대전극으로 작용하며 생성된 수소를 포집하는 수소 포집 모듈; 및
상기 광전극 모듈 및 수소 포집 모듈이 탑재되며, 전해질 수용액을 저장하는 반응조를 포함하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제1항에 있어서,
상기 광활성 반도체층은 Fe2O3 또는 WO3를 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제1항에 있어서,
상기 광활성 반도체층은 이격된 복수의 격자 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제3항에 있어서,
상기 도전성 기판은 FTO, ITO 및 IZO로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 광전극에 대응하여 복수의 개공부가 형성된 광전극 고정 부재를 더 포함하고,
상기 광전극은 상기 광전극 고정 부재 내에 탑재되는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제5항에 있어서,
상기 광전극 고정 부재 하부에 설치된 투광성 절연 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제4항에 있어서,
상기 바이어스 전원은 상기 광활성 반도체층의 격자 패턴에 대응하는 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제4항에 있어서,
상기 바이어스 전원은 염료 감응형 광전극 또는 실리콘 광전극으로 구성되는 태양전지나 바이어스 전력을 외부에서 공급하는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제1항에 있어서,
상기 수소 포집 모듈은,
상기 기판의 일방향으로 연장되는 배출 튜브와, 상기 배출 튜브로부터 분기되는 분기 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제9항에 있어서,
상기 수소 포집 모듈은,
생성된 수소를 상기 반응조 외부로 배출하기 위해 최소한 일부에 수소 이온 투과막을 구비한 튜브 구조; 및
상기 튜브 구조 내에 삽입된 전극체를 포함하고,
상기 튜브 구조는 상기 기판의 일방향으로 연장되는 배출 튜브와 상기 배출 튜브로부터 분기되는 분기 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 제10항에 있어서,
상기 전극체는 Pt, Pd, Ru, Ir 및 CoMo로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 금속 또는 그 금속의 합금인 것을 특징으로 하는 광화학적 수소 발생 유닛. - 도전성 기판 상의 일면에 형성된 광활성 반도체층을 구비하는 복수의 광전극과, 상기 광전극에 대응하여 도전성 기판의 타면 상에 형성된 바이어스 전압 소스로서의 바이어스 전원을 구비한 물분해용 광전극 모듈.
- 제12항에 있어서,
상기 도전성 기판과 상기 바이어스 전원 사이에 투광성 절연 부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 모듈. - 제12항에 있어서,
상기 광활성 반도체층에서 발생하는 전하를 수송하기 위하여 상기 도전성 기판에 형성되는 도전성 금속 스트립을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 모듈. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 광화학적 수소 발생 유닛이 복수개 구비되며, 상기 수소 발생 유닛에 전해질 수용액을 공급하기 위한 펌프와, 상기 수소 발생 유닛에서 생성된 수소 기체를 포집하기 위한 포집 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학적 물분해 장치.
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| KR101386152B1 (ko) * | 2011-11-07 | 2014-04-21 | 한국전기연구원 | 나노튜브가 구비된 이산화티탄 광촉매 및 그 제조방법 |
| KR101349340B1 (ko) * | 2011-12-07 | 2014-01-16 | 한국전기연구원 | 수소포집용 튜브 및 그를 포함하는 물분해 장치 |
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| WO2018038533A1 (ko) * | 2016-08-23 | 2018-03-01 | 울산과학기술원 | 광전지화학 셀 및 그 제조방법, 물 전기분해 시스템 및 그 제조방법 |
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