KR101759106B1 - 태양 에너지를 변환하고 저장하기 위한 인공 나뭇잎 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인공 나뭇잎 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치는 태양광이 통과할 수 있는 투명한 재질의 챔버, 상기 챔버를 두 개의 칸으로 구분하기 위한 평판, 상기 평판에 부착되어 있으며, 태양광에 의해 전력을 발생시키는 태양전지, 상기 태양전지 아래에 부착되어 있으며, 상기 두 개의 칸 사이에서 양이온만을 통과시키기 위한 양이온 교환막, 상기 두 개의 칸 중에서 제1칸에 담겨 있는 전해질이 포함된 물, 상기 두 개의 칸 중에서 제2칸에 담겨 있는 이산화탄소가 용해되어 있는 이온 수용액, 상기 물과 화학반응을 일으키기 위하여, 상기 태양전지에서 상기 제1칸을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있는 제1 촉매 및 상기 이온 수용액과 화학반응을 일으키기 위하여, 상기 태양전지에서 상기 제2칸을 향하는 면에 도핑되어 있는 제2 촉매를 포함한다. 본 발명의 인공 나뭇잎에 의하면, 기존 대비 에너지 생산 면에서 향상된 효과가 있다.
Description
본 발명은 인공 나뭇잎 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양 에너지를 변환하고 저장하기 위한 인공 나뭇잎 장치에 관한 것이다.
현재 인류가 직면한 화석에너지 고갈과 이산화탄소로 인한 기후변화에 신속히 대응하기 위한 노력이 끊임없는 이어지고 있다. 태양광 에너지는 대표적인 신재생 에너지 중 하나로서, 태양광 전지를 사용하여 필요한 전기에너지의 생산이 가능한데, 태양에너지는 간헐적인 에너지원이기에, 에너지 생산량을 예측하기 어렵고, 수요가 필요할 때마다 항상 생산할 수 없는 큰 단점이 있다. 이 문제는 생산된 전기 에너지를 화학에너지로 저장함으로 해결될 수 있으며, 일반적으로 2차 전지를 이용하여 이 문제를 해결할 수 있으나, 현재 전지 기술로는 많은 전기 에너지 저장이 어려우며, 실용성이 떨어진다. 따라서 다른 형태의 저장 방식이 요구되는데, 인공 나뭇잎이 우수한 대안이 될 수 있다.
인공 나뭇잎의 대표적인 시스템 개념(wired system)은 태양 전지로 생산한 전기를 물의 전기분해에 직접 이용하는 방식이다. 즉, 두 개의 전극을 이용하여 물에 전류를 흘리면, 양극에서는 수소가 발생하고 음극에서는 산소가 발생하는 원리인데, 전기분해를 통해 생산된 수소에너지를 저장하여 추후 연소엔진이나 연료전지 등을 통하여 수요가 있을 때 전기에너지를 다시 생산해 내는 방식이다.
이러한 인공 나뭇잎은 이미 널리 알려진 기술이지만, 시스템을 대형화 했을 때, 전극, 전선 등의 재료비와 여러 전력 손실로 인하여 생산 효율이 높지 않아 경제성이 좋지 않다.
최근 소형의 태양전지에 촉매를 직접 도핑(doping)하여 시스템을 구현하는 방법(wireless system)이 제안되었는데, 이 방식은 시스템 구조가 단순하고 재료비가 저렴하며, 전류의 손실이 적어 실용화가 가능하다고 평가되고 있다. 이 개념으로 구현된 인공 나뭇잎이 이미 존재하나, 광합성이라 함은 본래 탄소 고정(carbon fixation)과정이 포함되어야 진정한 의미의 광합성이라 할 수 있는데, 기존의 인공 나뭇잎 기술들에서는 탄소 고정 과정(이산화탄소를 분해하여 포도당을 생성하는 과정)이 포함되지 않고, 오로지 물의 전기 분해를 통한 수소 생산에만 초점이 맞춰져 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하여 합성 가스를 생산해 내는 탄소 고정 과정과 유사한 과정이 포함되어 있는 인공 나뭇잎 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명의 인공 나뭇잎은 기존의 물의 전기분해과정을 통한 수소 생산뿐만 아니라 이산화탄소 변환 과정을 통하여 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하여 최종 합성가스를 생산해 내므로, 에너지 생산 면에서 기존 개념보다 훨씬 진보하며, 무엇보다 산업공정이나 화력발전소에서 배출하는 플루가스(flue gas)로부터 포집한 이산화탄소를 일산화탄소로 변환함으로써 이산화탄소 배출문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치는 태양광이 통과할 수 있는 투명한 재질의 챔버, 상기 챔버를 두 개의 칸으로 구분하기 위한 평판, 상기 평판에 부착되어 있으며, 태양광에 의해 전력을 발생시키는 태양전지, 상기 태양전지 아래에 부착되어 있으며, 상기 두 개의 칸 사이에서 양이온만을 통과시키기 위한 양이온 교환막, 상기 두 개의 칸 중에서 제1칸에 담겨 있는 전해질이 포함된 물, 상기 두 개의 칸 중에서 제2칸에 담겨 있는 이산화탄소가 용해되어 있는 이온 수용액, 상기 물과 화학반응을 일으키기 위하여, 상기 태양전지에서 상기 제1칸을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있는 제1 촉매 및 상기 이온 수용액과 화학반응을 일으키기 위하여, 상기 태양전지에서 상기 제2칸을 향하는 면에 도핑되어 있는 제2 촉매를 포함한다.
상기 이온 수용액은 EMIN-BF4 또는 염화 콜린으로 구현될 수 있다.
상기 제1 촉매는 코발트(Co)로 구현될 수 있다.
상기 제2 촉매는 MoS2, WS2, MoSe2 또는 WSe2로 구현될 수 있다.
상기 전해질은 KOH, Kpi(Potassium phosphate buffer solution) 또는 Kbi(Potassium borate buffer solution) 중에 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 제1칸의 상부에서 발생된 산소를 포집하여 저장하기 위한 제1 저장부와, 상기 제2칸의 상부에서 발생된 수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스(Syngas)를 포집하여 저장하기 위한 제2 저장부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치는 전해액이 채워져 있는 챔버 및 상기 챔버의 상부에 위치하며, 태양광이 전면으로 들어오고, 양극과 음극이 후면에 있는 태양전지를 포함한다.
상기 태양전지는 후면에 양극과 음극이 교대로 배치되는 구조로 구성될 수 있다.
상기 전해액은 KOH, Kpi(Potassium phosphate buffer solution) 또는 Kbi(Potassium borate buffer solution) 중에 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 인공 나뭇잎에 의하면, 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하여 합성가스를 생산해 내는 탄소 고정 과정이 포함되어 있어서, 기존 물의 전기분해과정을 통한 수소 생산뿐만 아니라 탄소 고정 과정을 통하여 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하여 최종 합성가스를 생산함으로써, 기존 대비 에너지 생산 면에서 향상된 효과가 있다.
그리고, 무엇보다 본 발명의 인공 나뭇잎을 이용하여 산업 공정이나 화력 발전소에서 배출하는 플루 가스(flue gas)로부터 포집한 이산화탄소를 일산화탄소로 변환함으로써, 이산화탄소 배출문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 인공 나뭇잎 기술은 기존 태양광 에너지 기술과 접목하여 이산화탄소가 많이 발생하는 공장지역이나 화력발전소에 설치하면, 이산화탄소 배출을 저감할 수 있고, 동시에 합성가스라는 연료를 생산할 수 있어서 일석이조의 효과가 있다. 즉, 기존에는 태양광전지에서 발생한 전기를 전기분해시스템으로 보내는 과정에서 전력손실이 커서 경제성이 부족했으나, 본 발명에서 제안하는 인공 나뭇잎 기술을 이용하면, 태양전지와 전기분해시스템이 하나로 합해져서 시스템 구조가 단순해지고, 전기를 수송하는 과정에서 손실이 적다.
또한, 본 발명에 의하면, 기존에 사용하던 백금, 은과 같은 값 비싼 촉매재료 대신 값 싼 촉매재료를 사용하여 사업화가 가능하며, 후면 태양광전지를 사용하여 시스템의 수명도 연장할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 화학 반응을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광화학 챔버의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 화학 반응을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광화학 챔버의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치는 챔버(110), 평판(120), 태양전지(130), 제1 촉매(140), 제2 촉매(150), 전해질이 포함된 물(160), 이온 수용액(170), 양이온 교환막(180)을 포함한다.
챔버(110)는 태양광이 통과할 수 있는 투명한 재질로 되어 있다.
평판(120)은 챔버(110)를 제1칸과 제2칸의 두 개의 칸으로 구분한다.
태양전지(130)는 평판(120)에 부착되어 있으며, 태양광에 의해 전력을 발생시키는 역할을 한다. 도 1의 실시예에서 태양전지(130)는 구리선을 이용하여 두 개의 태양전지가 직렬로 연결되어 있다. 현재 태양전지의 개회로 전압(open circuit voltage)은 약 2V인데, 본 발명의 전기 분해에 필요한 열역학 포텐셜(thermodynamic potential)은 1.34 V이다. 여기서 여러 손실(overpotential)을 고려하면 하나의 태양전지로 본 발명의 전기화학반응을 일으키는데 충분치 않기에, 도 1의 실시예에서는 두 개의 태양전지를 직렬로 연결하는 방법을 사용하였다. 하지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 하나의 태양전지로 구현도 가능하며, 다양한 방식으로 태양전지를 연결하여 구현할 수 있음은 당연하다.
양이온 교환막(Proton exchange membrane)(180)은 태양전지(130) 아래에 부착되어 있으며, 두 개의 칸 사이에서 양이온만을 통과시키는 역할을 한다.
전해질이 포함된 물(160)은 두 개의 칸 중에서 제1칸에 담겨 있다. 본 발명의 일 실시예에서 전해질(electrolyte)은 KOH(포타슘하이드로옥사이드), Kpi(Potassium phosphate buffer solution) 또는 Kbi(Potassium borate buffer solution)로 구현될 수 있다.
이온 수용액(170)은 두 개의 칸 중에서 제2칸에 담겨 있으며, 이산화탄소(CO2)가 용해되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 이온 수용액(170)은 EMIN-BF4로 구현될 수 있다. 또한 이온액에 비해 가격이 더 저렴한 염화 콜린(Choline chloride)으로 구현될 수 있다.
제1 촉매(140)는 전해질이 포함된 물(160)과 화학반응을 일으키기 위하여, 태양전지(130)에서 제1칸을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 촉매(140)는 코발트(Co)로 구현될 수 있다.
제2 촉매(150)는 이온 수용액(170)과 화학반응을 일으키기 위하여, 태양전지(130)에서 제2칸을 향하는 면에 도핑되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제2 촉매(150)는 이산화황몰리브덴(MoS2), 이산화황텅스텐(WS2), MoSe2 또는 WSe2로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 인공 나뭇잎 장치는 제1칸의 상부에서 발생된 산소(O2)를 포집하여 저장하기 위한 제1 저장부와, 제2칸의 상부에서 발생된 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 혼합된 합성 가스(Syngas)를 포집하여 저장하기 위한 제2 저장부를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 화학 반응을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 투명한 아크릴이나 유리판을 이용하여 챔버(110)를 제작하고, 평판(120)을 이용하여 두 개의 칸으로 분리한다.
그리고, 평판(120)에는 두 개의 태양전지(130)를 부착한 후 구리선을 이용하여 두 개의 태양전지(130)를 직렬로 연결한다. 그리고, 태양전지 아래 양이온 교환막(180)을 부착하여 오직 수소 양이온 만이 막을 통과할 수 있도록 한다.
챔버(110)의 제1칸에는 전해질이 포함된 물(Kpi, Kbi, KOH)을 담고, 제2칸에는 이산화탄소(CO2)가 용해되어 있는 이온 수용액(EMIN-BF4)을 담는다.
제1칸의 전해질이 포함된 물(160)에 태양광이 조사되면, 태양전지(130)에서 전자와 전공이 발생한다. 이 때, 전공은 태양전지(130)의 앞 면으로 이동하고, 전자는 태양전지(130)의 뒤 면으로 이동한다. 태양전지 앞 면에는 코발트(Co) 촉매가 도핑되어 있는데, 이 촉매에서 다음과 같은 화학반응이 일어난다.
<2H2O -> 4e-+4H++O2>
즉, 2몰의 물 분자가 분해되면서 1몰의 산소와 전자 및 수소 양이온이 생성된다. 이 때, 전자는 태양전지(130)에서 발생한 전공과 재결합하여 소멸되고, 수소 양이온(H+)은 전위차에 의해서 양이온 교환막(180)을 통해 태양전지(130) 뒤쪽으로 이동한다.
그리고, 태양전지(130) 뒤쪽에는 이산화황몰리브덴(MoS2) 촉매가 도핑되어 있는데, 이 촉매 표면에서 이산화탄소의 변환반응과 수소생성 반응이 일어난다. 먼저 이산화탄소의 변환반응은 다음과 같다.
<CO2+2e-+2H+ -> CO+H2O>
그리고, 수소생성 반응은 다음과 같다.
<2e-+2H+ -> H2>
본 발명에서는 이러한 화학반응을 통하여 발생된 가스들은 포집하여 저장한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광화학 챔버의 모식도이다.
도 3의 광화학(Photochemical) 챔버(Chamber)는 구리 테잎을 통해 직렬로 연결된 두 개의 PV 셀(cell)(1)과, ITO 상에 코팅된 코발트(2)와, 인산칼륨버퍼 용액(Potassium Phosphate buffer solution)(3)과, 나피온 막(Nafion membrane)(4)과, 50 vol%의 EMIM-BF4 용액(5)과, 스테인레스 기판 상에 형성된 WSe2(6)로 구성되며, 화학 반응을 통해 생성되는 가스 버블(bubble)(7)을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치는 후면 태양전지를 사용하여 구현한 것으로서, 챔버(410), 태양전지(420)를 포함한다.
챔버(410)에는 전해액이 채워져 있다. 본 발명의 일 실시예에서 챔버(410)에는 KOH(포타슘하이드로옥사이드), Kpi(Potassium phosphate buffer solution) 또는 Kbi(Potassium borate buffer solution) 중 어느 하나로 구성된 전해액이 채워져 있다.
태양전지(420)는 챔버(410)의 상부에 위치하며, 태양광이 전면으로 들어오고, 양극과 음극이 후면에 있다. 도 4에서, 태양전지(420)는 후면에 양극과 음극이 교대로 배치되는 구조로 되어 있다.
도 4에서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 인공 나뭇잎 장치는 후면 태양전지를 이용하여 구현됨으로써, 촉매가 태양전지 앞 면에 도핑될 필요가 없어서, 촉매로 인한 태양광 손실이나 태양전지가 액체와 접하여 발생하는 부식을 방지하고, 이에 따라 시스템의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 장점이 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 챔버 120 평판
130 태양전지 140 제1 촉매
150 제2 촉매 160 전해질이 포함된 물
170 이온 수용액 180 양이온 교환막
130 태양전지 140 제1 촉매
150 제2 촉매 160 전해질이 포함된 물
170 이온 수용액 180 양이온 교환막
Claims (14)
- 태양광이 통과할 수 있는 투명한 재질의 챔버;
상기 챔버를 두 개의 칸으로 구분하기 위한 평판;
상기 평판에 부착되어 있으며, 태양광에 의해 전력을 발생시키는 태양전지;
상기 태양전지 아래에 부착되어 있으며, 상기 두 개의 칸 사이에서 양이온만을 통과시키기 위한 양이온 교환막;
상기 두 개의 칸 중에서 제1칸에 담겨 있는 전해질이 포함된 물;
상기 두 개의 칸 중에서 제2칸에 담겨 있는 이산화탄소가 용해되어 있는 이온 수용액;
상기 물과 화학반응을 일으키기 위하여, 상기 태양전지에서 상기 제1칸을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있는 제1 촉매; 및
상기 이온 수용액과 화학반응을 일으키기 위하여, 상기 태양전지에서 상기 제2칸을 향하는 면에 도핑되어 있는 제2 촉매를 포함하며,
상기 이온 수용액은 EMIN-BF4 이고,
상기 제1 촉매는 코발트(Co)이고,
상기 제2 촉매는 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 중 어느 하나로 구현되고,
상기 전해질은 KOH, Kpi(Potassium phosphate buffer solution) 또는 Kbi(Potassium borate buffer solution) 중에 하나 이상의 물질로 구성되며,
상기 제1칸의 전해질이 포함된 물에 태양광이 조사되면, 상기 태양전지에서 전자와 전공이 발생하고, 전공이 상기 태양전지의 앞면으로 이동하고, 전자가 상기 태양전지의 뒷면으로 이동하고, 상기 태양전지의 앞면에서 <2H2O -> 4e-+4H++O2>의 화학 반응이 일어나서, 2몰의 물 분자가 분해되면서 1몰의 산소와 전자 및 수소 양이온이 생성되며, 전자가 상기 태양전지에서 발생한 전공과 재결합하여 소멸되고, 상기 수소 양이온(H+)이 전위차에 의해서 상기 양이온 교환막을 통해 상기 태양전지의 뒷쪽으로 이동하고, 상기 태양전지의 뒷쪽의 상기 제2 촉매 표면에서 상기 수소 양이온으로 인해 이산화탄소의 변환반응과 수소생성 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 인공 나뭇잎 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 이온 수용액은 염화 콜린(Choline chloride)인 것임을 특징으로 하는 인공 나뭇잎 장치.
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- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1칸의 상부에서 발생된 산소를 포집하여 저장하기 위한 제1 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 나뭇잎 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제2칸의 상부에서 발생된 수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스(Syngas)를 포집하여 저장하기 위한 제2 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 나뭇잎 장치.
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| KR20190098577A (ko) * | 2018-02-14 | 2019-08-22 | 한국과학기술연구원 | 인공광합성 장치, 인공광합성 방법, 인공광합성용 물분해 촉매 및 그 제조방법 |
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-
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