KR101764797B1 - Flow cell reactor apparatus for converting carbon dioxide into syngas - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a movable cell reaction device to convert carbon dioxide into synthetic gas. The device includes: a cathode; an anode; and an ion exchange membrane located between the cathode and the anode to make ions exchanged with each other. The anode comprises: a second gas diffusion electrode for diffusing gas including carbon dioxide; a second electrolyte passage located between the second gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, and functioning as a passage in which an anolyte flows; and a second catalyst formed on a surface of the second gas diffusion electrode, which faces the anolyte, and causing a chemical reaction by touching the anolyte. According to the present invention, the device is capable of significantly reducing costs for system development by using a transition metal dichalcogenide (TMDC).

Description

이산화탄소를 합성가스로 변환하기 위한 유동 셀 반응 장치 {Flow cell reactor apparatus for converting carbon dioxide into syngas}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flow cell reactor for converting carbon dioxide into syngas,

본 발명은 이산화탄소 전기화학 분해기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 합성가스로 변환하기 위한 유동 셀 반응 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon dioxide electrochemical decomposition technique, and more particularly to a flow cell reaction apparatus for converting carbon dioxide into synthesis gas.

최근 신재생 에너지 등 대체 에너지에 대한 필요성이 고조되면서, 대체 에너지 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 아직도 화석 연료인 석유, 석탄, 천연가스 등의 연료가 세계 에너지 수요의 85%이상을 차지하고 있다. 이러한 화석연료는 대체 에너지원에 비해 저렴한 가격과 충분히 발달된 인프라 시설 등의 많은 매력이 있지만, 연소과정에서 이산화탄소와 같은 온실가스의 배출을 피할 수 없고, 이는 기후변화 및 산성비 등 환경에 악영향을 미친다. 향후 2010-2060동안 기존에 존재하고 있는 화석연료 연소 시설들에서 배출되어 축적되는 이산화탄소의 양이 496 GT에 이를 것이라는 예상이 지배적이다. Recently, as the need for alternative energy such as renewable energy has increased, research on the development of alternative energy has been actively carried out. However, fossil fuels such as petroleum, coal and natural gas still account for more than 85% have. While these fossil fuels are attracted to a number of attractive facilities, such as low-cost and fully-developed infrastructure facilities, compared to alternative energy sources, emissions of greenhouse gases such as carbon dioxide are inevitable during the combustion process, which adversely affects the environment such as climate change and acid rain . It is predicted that the amount of carbon dioxide emitted and accumulated in existing fossil fuel combustion facilities during the period 2010-2060 will reach 496 GT.

따라서, 화석연료의 대체에너지원의 개발이나 기존 내연기관에서 이산화탄소 배출을 제어할 수 있는 기술 개발이 시급하다. Therefore, it is urgent to develop alternative energy sources of fossil fuels or to control the emission of carbon dioxide from existing internal combustion engines.

전 세계적으로 높은 에너지 수요로 인하여, 기존의 화석연료를 즉시 대체할 에너지원의 개발은 현실적으로 쉽지 않다. 반면, 이산화탄소 배출을 제어하는 대표적인 기술로 이산화탄소 포집 및 저장 기술은 화력 발전소나 철강소 등 대형 이산화탄소 배출원에 적용되어 이산화탄소의 배출량을 성공적으로 줄이는데 기여를 하고 있다. Due to the high energy demand worldwide, the development of an energy source that can replace existing fossil fuels immediately is not practical. On the other hand, CO2 capture and storage technologies are applied to major CO 2 emission sources such as thermal power plants and steel plants, and contribute to the successful reduction of CO 2 emissions.

이처럼 일단 대량의 순수한 이산화탄소가 포집되면, 이 또한 소중한 에너지원이 될 수 있는데, 포집된 이산화탄소를 지하에 저장하는 것 보다 이산화탄소의 전기화학 분해과정을 통하여 합성가스(수소와 일산화탄소의 혼합물)나 메탄올 등의 연료로의 변환이 가능하다. Once such a large amount of pure carbon dioxide is captured, it can also be a valuable energy source. Instead of storing the captured carbon dioxide underground, it is possible to produce syngas (a mixture of hydrogen and carbon monoxide), methanol Of fuel can be converted into fuel.

지난 몇 년 동안, 산업 현장에서 이 방법을 상용화하기 위한 시도가 계속되어 왔으나, 희귀성 촉매(예, 백금, 금, 은)의 높은 가격과 에너지 변환 성능 및 효율이 낮아 실용화하는데 있어 많은 장벽이 존재하는 실정이다. Over the past few years, attempts have been made to commercialize this process in industrial settings, but there are many barriers to practical use due to the high cost of rare catalysts (eg, platinum, gold, silver) and low energy conversion performance and efficiency .

또한, 많은 연구자들이 물리적 또는 화학적 원리들을 적용하여 기존의 이산화탄소 저감장비들의 성능을 향상시키기 위한 많은 노력을 하고 있으나, 획기적인 발전을 이루기엔 충분하지 않다. In addition, many researchers have made a lot of effort to improve the performance of existing CO2 abatement equipment by applying physical or chemical principles, but it is not enough to make a breakthrough.

대한민국 등록특허 제10-1484503호Korean Patent No. 10-1484503

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이산화탄소 전기화학 분해 기술에 있어서, 전이 금속 디칼코겐 이원 화합물 (Transition metal dichalcogenide, TMDC)을 사용하여 시스템 개발 단가를 획기적으로 저감한, 유동 셀 반응 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a carbon dioxide electrochemical decomposition technology, in which a transition metal dichalcogenide (TMDC) And an object thereof is to provide a reaction apparatus.

또한, 본 발명은 TDMC를 촉매로 사용함으로써, 이산화탄소 변환반응에 대한 촉매성능이 우수하여, 적응 양의 촉매로 더 많은 합성가스를 생산할 수 있는 유동 셀 반응 장치를 제공하는데 그 다른 목적이 있다. It is another object of the present invention to provide a flow cell reaction device capable of producing more syngas with an appropriate amount of catalyst by using TDMC as a catalyst, which is excellent in catalytic performance for a carbon dioxide conversion reaction.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이산화탄소를 합성가스로 변환하는 유동 셀 반응 장치는 음극부(Cathode), 양극부(Anode) 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 위치하여, 이온이 서로 교환되도록 하기 위한 이온 교환막(Ion Exchange Membrane)을 포함하되, 상기 음극부는, 이산화탄소가 이동하는 통로이며, 연결된 전지로부터 전자를 받아 수집하기 위한 가스 유로, 상기 가스 유로의 일면에 형성되어 이산화탄소를 포함하는 가스를 확산시키기 위한 제1 가스 확산 전극, 상기 제1 가스 확산 전극과 상기 이온 교환막 사이에 위치하며 전해질 용액인 음극액(Catholyte)이 이동하는 통로인 제1 전해질 유로 및 상기 제1 가스 확산 전극에서 상기 음극액을 향하는 면에 형성되어 있으며 상기 음극액과 접촉하여 화학반응을 일으키기 위한 제1 촉매를 포함하여 이루어지고, 상기 양극부는, 산소를 포함하는 가스를 확산시키기 위한 제2 가스 확산 전극, 상기 제2 가스 확산 전극과 상기 이온 교환막 사이에 위치하며 전해질 용액인 양극액(Anolyte)이 이동하는 통로인 제2 전해질 유로 및 상기 제2 가스 확산 전극에서 상기 양극액을 향하는 면에 형성되어 있으며 상기 양극액과 접촉하여 화학반응을 일으키기 위한 제2 촉매를 포함하여 이루어진다. In order to achieve the above object, the present invention provides a flow cell reaction apparatus for converting carbon dioxide into syngas, comprising a cathode, an anode, and an anode disposed between the cathode and the anode, The cathode section being a passage through which carbon dioxide moves, a gas flow path for collecting and receiving electrons from the connected battery, a gas flow path formed on one surface of the gas flow path and containing carbon dioxide A first gas diffusion electrode disposed between the first gas diffusion electrode and the ion exchange membrane and being a passage through which a catholyte as an electrolyte solution moves, A first catalyst formed on a surface facing the cathode solution for causing a chemical reaction in contact with the cathode solution, A second gas diffusion electrode for diffusing an oxygen-containing gas, a second gas diffusion electrode disposed between the second gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, and a passage through which the anolyte, which is an electrolytic solution, 2 electrolyte flow path, and a second catalyst formed on a surface of the second gas diffusion electrode facing the anolyte to cause a chemical reaction in contact with the anolyte.

상기 제1 촉매는 전이 금속 디칼코겐 이원 화합물(Transition metal dichalcogenide, TMDC) 계열이며, 상기 제1 가스 확산 전극에서 상기 음극액을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있다. The first catalyst is a transition metal dichalcogenide (TMDC) series doped from a surface of the first gas diffusion electrode facing the cathode solution.

상기 제1 촉매는 TMDC 계열의 WS2, MoSe2 또는 WSe2 중의 어느 하나로 구현될 수 있다.The first catalyst may be one of WS 2, MoSe 2, or WSe 2 of the TMDC series.

상기 음극액은 EMIN-BF4 또는 염화 콜린(Choline chloride)으로 구현될 수 있다.The catholyte solution may be implemented with EMIN-BF 4 or choline chloride.

상기 제2 촉매는 백금 또는 IrO2로 구현될 수 있다. The second catalyst may be implemented with platinum or IrO 2 .

본 발명에 의하면, 이산화탄소 전기화학 분해 기술에 있어서, 전이 금속 디칼코겐 이원 화합물 (Transition metal dichalcogenide, TMDC)을 사용함으로써, 시스템 개발 단가를 획기적으로 저감할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, the transition metal dichalcogenide (TMDC) is used in the carbon dioxide electrochemical decomposition technology, thereby remarkably reducing the system development cost.

또한, 본 발명은 TDMC를 촉매로 사용함으로써, 이산화탄소 변환반응에 대한 촉매성능이 우수하여, 적응 양의 촉매로 더 많은 합성가스를 생산할 수 있는 효과가 있다. Further, the use of TDMC as a catalyst provides an excellent catalytic performance for a carbon dioxide conversion reaction, and can produce more syngas with an adaptive amount of catalyst.

또한, 본 발명에 의하면 기존 기술과는 달리 공급 원료로서 수소를 필요로 하지 않고, 오직 이산화탄소만 이용하므로, 시스템의 구조가 간단해지고, 추가 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, unlike the existing technology, since hydrogen is not used as a feedstock and only carbon dioxide is used, the structure of the system is simplified and the additional cost can be reduced.

또한, TMDC 촉매와 이산화탄소의 전기화학 반응에 필요한 포텐셜이 열역학적 포텐셜에 매우 근접해 있어, 무시할 만큼 작은 오버포텐셜(손실)이 발생하므로, 에너지 효율이 매우 우수하다는 효과가 있다. In addition, since the potential required for the electrochemical reaction between the TMDC catalyst and carbon dioxide is very close to the thermodynamic potential, an overpotential (loss) that is negligibly small is generated, so that the energy efficiency is excellent.

또한, 본 발명은 산업공정이나 화력발전소에서 배출하는 플루가스(flue gas)에서 이산화탄소를 포집하여 연속적으로 본 발명의 유동 셀 반응 장치에 공급하는 동안, 이산화탄소를 합성가스로 변환함으로써, 화석연료 사용으로 인한 이산화탄소 배출문제를 해결할 수 있으며, 동시에 생산된 합성가스를 다시 연료로 사용하는 방법으로 에너지 문제를 해결하는 효과를 기대할 수 있다.The present invention also relates to a process for recovering carbon dioxide from flue gas discharged from an industrial process or a thermal power plant and continuously supplying carbon dioxide to the flow cell reaction apparatus of the present invention while converting carbon dioxide into syngas, It is possible to solve the problem of the carbon dioxide emission caused by the syngas produced and the effect of solving the energy problem by using the produced syngas as the fuel again.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 셀 반응 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 셀의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 셀 반응 장치의 활용 방안을 예시한 도면이다.1 is a view showing a configuration of a flow cell reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of a flow cell according to one embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating an application of the flow cell reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.

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.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined in the present application Do not.

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.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 셀 반응 장치의 구성을 보여주는 도면이다. 1 is a view showing a configuration of a flow cell reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 합성가스로 변환하기 위한 유동 셀 반응 장치는 이온 교환막(Ion Exchange Membrane)(100), 음극부(Cathode)(200), 양극부(Anode)(300)를 포함한다. 1, a flow cell reaction apparatus for converting carbon dioxide into syngas according to an embodiment of the present invention includes an ion exchange membrane (Ion Exchange Membrane) 100, a cathode 200, Anode 300).

이온 교환막(100)은 음극부(200)와 양극부(300) 사이에 위치하여, 이온이 서로 교환되도록 하는 역할을 한다. The ion exchange membrane 100 is positioned between the cathode part 200 and the anode part 300 and serves to exchange ions.

음극부(200)는 가스 유로(210), 제1 가스 확산 전극(Gas Diffusion Electrode)(220), 제1 전해질 유로(230), 제1 촉매(Catalyst)(240)를 포함하여 이루어진다. The cathode unit 200 includes a gas passage 210, a first gas diffusion electrode 220, a first electrolyte passage 230, and a first catalyst 240.

가스 유로(210)는 이산화탄소(CO2)가 이동하는 통로이며, 연결된 전지로부터 전자를 받아 수집하는 역할을 한다. The gas passage 210 is a passage through which carbon dioxide (CO 2 ) moves and collects electrons from the connected battery.

제1 가스 확산 전극(220)은 가스 유로(210)의 일면에 형성되어 이산화탄소를 포함하는 가스를 확산시키는 역할을 한다. The first gas diffusion electrode 220 is formed on one surface of the gas channel 210 to diffuse a gas containing carbon dioxide.

제1 전해질 유로(230)는 제1 가스 확산 전극(220)과 이온 교환막(100) 사이에 위치하며 전해질 용액인 음극액(Catholyte)이 이동하는 통로이다. The first electrolyte passage 230 is located between the first gas diffusion electrode 220 and the ion exchange membrane 100 and is a passage through which a catholyte as an electrolyte solution moves.

제1 촉매(240)는 제1 가스 확산 전극(220)에서 음극액을 향하는 면에 형성되어 있으며, 음극액과 접촉하여 화학반응을 일으키는 역할을 한다. The first catalyst 240 is formed on the surface of the first gas diffusion electrode 220 facing the cathode solution, and contacts the cathode solution to cause a chemical reaction.

양극부(300)는 제2 전해질 유로(310), 제2 가스 확산 전극(320), 제2 촉매(330)를 포함하여 이루어진다.The anode portion 300 includes a second electrolyte channel 310, a second gas diffusion electrode 320, and a second catalyst 330.

제2 전해질 유로(310)는 제2 가스 확산 전극(320)과 이온 교환막(100) 사이에 위치하며, 전해질 용액인 양극액(Anolyte)이 이동하는 통로이다.The second electrolyte passage 310 is located between the second gas diffusion electrode 320 and the ion exchange membrane 100 and is a path through which the anolyte as the electrolyte solution moves.

제2 가스 확산 전극(320)은 산소를 포함하는 가스를 확산시키는 역할을 한다. The second gas diffusion electrode 320 serves to diffuse the gas containing oxygen.

제2 촉매(330)는 제2 가스 확산 전극(320)에서 양극액을 향하는 면에 형성되어 있으며, 양극액과 접촉하여 화학반응을 일으키는 역할을 한다. The second catalyst 330 is formed on the surface facing the anolyte in the second gas diffusion electrode 320, and is in contact with the anolyte to cause a chemical reaction.

본 발명에서 음극부(200)와 양극부(300)에서 발생하는 화학 반응은 다음과 같다. The chemical reactions occurring in the cathode part 200 and the anode part 300 in the present invention are as follows.

Cathode: CO2 + 2H+ + 2e- -> CO + H2OCathode: CO 2 + 2H + + 2e - -> CO + H 2 O

Anode: H2O -> 1/2O2 + 2H+ +2e- Anode: H 2 O -> 1 / 2O 2 + 2H + + 2e -

본 발명에서 제1 촉매(240)는 전이 금속 디칼코겐 이원 화합물(Transition metal dichalcogenide, TMDC) 계열이며, 제1 가스 확산 전극(220)에서 음극액을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있다.In the present invention, the first catalyst 240 is a transition metal dichalcogenide (TMDC) series and is doped on the surface of the first gas diffusion electrode 220 facing the cathode solution.

본 발명의 일 실시예에서 제1 촉매(240)는 TMDC 계열의 이산화황몰리브덴(MoS2), 이산화황텅스텐(WS2), MoSe2 또는 WSe2로 구현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first catalyst 240 may be implemented with TMDC series of molybdenum dioxide (MoS 2 ), sulfur dioxide tungsten (WS 2 ), MoSe 2, or WSe 2 .

본 발명에서 음극액은 EMIN-BF4 또는 염화 콜린(Choline chloride)으로 구현될 수 있다. In the present invention, the catholyte solution may be embodied as EMIN-BF 4 or choline chloride.

본 발명에서 제2 촉매(330)는 백금 또는 IrO2로 구현될 수 있다. In the present invention, the second catalyst 330 may be formed of platinum or IrO 2 .

본 발명에서 가스 유로(210)를 통하여 공급된 이산화탄소는 제1 가스 확산 전극(220)을 통해 확산되고, 제1 전해질 유로(230)를 통해 공급된 전해질인 음극액에 의해 쉽게 용해된다. In the present invention, the carbon dioxide supplied through the gas passage 210 diffuses through the first gas diffusion electrode 220 and is easily dissolved by the cathode solution which is the electrolyte supplied through the first electrolyte passage 230.

그리고, TMDC 계열의 제1 촉매(240)가 음극액 방향의 제1 가스 확산 전극(220)에 도핑 되어 있으므로, 제1 촉매(240)와 음극액의 경계면에서 이산화탄소가 저감된다. Since the first catalyst 240 of the TMDC series is doped in the first gas diffusion electrode 220 in the cathode liquid direction, the carbon dioxide is reduced at the interface between the first catalyst 240 and the cathode solution.

그리고, 이산화탄소가 변환되어 생성된 합성 가스는 다시 제1 가스 확산 전극(220)을 통하여 가스 유로(210)로 나오고, 별도의 저장 탱크에 모아진다. Then, the syngas produced by the carbon dioxide conversion is again discharged to the gas flow path 210 through the first gas diffusion electrode 220, and collected in a separate storage tank.

예를 들어, 양극부(300)에서는 백금의 제2 촉매(330)가 황산수용액인 양극액 방향의 제2 가스 확산 전극(320)에 도핑 되어 있다. 이때, 백금 촉매에서는 물의 전기분해 산화반응이 발생하여, 물 분자가 수소 양이온과 산소로 분해된다. For example, in the anode part 300, the second catalyst 330 of platinum is doped in the second gas diffusion electrode 320 in the anolyte direction, which is an aqueous solution of sulfuric acid. At this time, the electrolytic oxidation reaction of water occurs in the platinum catalyst, and the water molecule is decomposed into hydrogen cations and oxygen.

그리고, 산화반응 시 발생한 전자는 전선을 통하여 음극부(200)로 이동하고, 수소 양이온은 이온 교환막(100)을 통하여 음극으로 이동한다. 그리고, 산소는 제2 가스 확산 전극(320)을 통하여 밖으로 방출되는데, 이때, 산소를 버리는 대신에 포집하여 상업용으로 사용할 수 있다.The electrons generated during the oxidation reaction move to the cathode part 200 through the electric wire, and the hydrogen cations move to the cathode through the ion exchange membrane 100. The oxygen is released to the outside through the second gas diffusion electrode 320. At this time, oxygen can be collected instead of discarding it and used for commercial use.

본 발명에서 촉매로 사용되는 MoS2는 기존 수소생성반응을 위하여 사용된 백금, 금, 은 등 값비싼 금속촉매를 대체할 수 있다. 여기서, Mo는 대표적인 전이 금속으로 지구상에 매우 풍부한 물질이기에 값이 저렴하다. 또한, S은 산소족 원소인 칼코겐이며, S 이외에 Se나 Te 등으로 대체할 수 있다.MoS 2 used as a catalyst in the present invention can replace expensive metal catalysts such as platinum, gold, and silver used for conventional hydrogen production. Here, Mo is a typical transition metal, which is a very rich substance on the earth, and thus is inexpensive. In addition, S is chalcogen, which is an oxygen group element, and other than S, it can be replaced with Se, Te, or the like.

본 발명에서는 상대적으로 비싼 이온액 대신에 염화 콜린(Choline Chloride)를 이용하면 전해액(electrolyte)의 가격은 저감하면서 같은 성능을 유지할 수 있다. 이외에도 여러 다른 전해액을 사용할 수 있음은 물론이다.In the present invention, the use of Choline Chloride instead of a relatively expensive ionic liquid can maintain the same performance while reducing the price of the electrolyte. It goes without saying that various other electrolytic solutions may be used.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 셀의 분해 사시도이다. 2 is an exploded perspective view of a flow cell according to one embodiment of the present invention.

도 2의 예시도에서, 유동 셀은 알루미늄 캐소드 전류 콜렉터(Aluminum cathode current collector/gas channel)(410), 캐소드(Cathode) GDE(420), MOS2 촉매(430), 테프론 리퀴드 채널(Teflon Liquid Channel)(440), 멤브레인(Membrane)(450), 테프론 리퀴드 채널(Teflon Liquid Channel)(460), 애노드 촉매(Anode catalyst)(470), 애노드 GDE(480), 알루미늄 애노드 전류 콜렉터(Aluminum anode current collector/gas channel)(490)를 포함한다. 2, the flow cell includes an aluminum cathode current collector / gas channel 410, a cathode GDE 420, a MOS 2 catalyst 430, a Teflon Liquid Channel A membrane 460, a membrane 450, a Teflon Liquid Channel 460, an anode catalyst 470, an anode GDE 480, an aluminum anode current collector / gas channel 490.

본 발명은 현재 인류가 직면한 화석 에너지 고갈 및 이산화탄소 배출로 인한 기후변화 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 기술로서, 합성가스 생산 및 이산화탄소 저감기술에 대한 수요가 많다는 측면에서, 본 발명의 사업화 가능성이 매우 높다고 볼 수 있다.The present invention is a technology capable of effectively solving the problem of climate change due to depletion of fossil energy and emission of carbon dioxide which humanity faces at present, and in view of the demand for synthesis gas production and carbon dioxide abatement technology, It can be seen as high.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 셀 반응 장치의 활용 방안을 예시한 도면이다.3 is a view illustrating an application of the flow cell reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 유동 셀 반응 장치를 태양광, 풍력, 수력 등 친환경 신재생 에너지 기술과 접목하여 이산화탄소가 많이 발생하는 공장지역이나 화력발전소에 설치하면 이산화탄소 배출을 저감할 수 있고, 동시에 합성가스라는 연료를 생산할 수 있어서 일석이조의 효과가 있다. Referring to FIG. 3, the flow cell reaction apparatus of the present invention may be combined with an environmentally friendly new and renewable energy technology such as sunlight, wind power, and hydraulic power to reduce carbon dioxide emissions when installed in a plant area or a thermal power plant where a large amount of carbon dioxide is generated. At the same time, it is possible to produce fuel called syngas, which has the effect of one stone.

또한, 본 발명에서 제안하는 기술은 기존 사용하던 값 비싼 촉매재료인 백금, 금, 은 등을 대신하여 상대적으로 저렴한 촉매재료를 사용함으로써, 사업화가 가능하다.In addition, the technology proposed in the present invention can be commercialized by using relatively inexpensive catalyst materials instead of platinum, gold, and silver which are expensive catalyst materials that have been used in the past.

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.While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.

100 이온 교환막 200 음극부
300 양극부 210 가스 유로
220 제1 가스 확산 전극 230 제1 전해질 유로
240 제1 촉매 310 제2 전해질 유로
320 제2 가스 확산 전극 330 제2 촉매100 ion exchange membrane 200 cathode part
300 anode part 210 gas channel
220 first gas diffusion electrode 230 first electrolyte channel
240 First catalyst 310 Second electrolyte channel
320 Second gas diffusion electrode 330 Second catalyst

Claims (10)

음극부(Cathode);
양극부(Anode); 및
상기 음극부와 상기 양극부 사이에 위치하여, 이온이 서로 교환되도록 하기 위한 이온 교환막(Ion Exchange Membrane)을 포함하되,
상기 음극부는, 이산화탄소가 이동하는 통로이며, 연결된 전지로부터 전자를 받아 수집하기 위한 가스 유로, 상기 가스 유로의 일면에 형성되어 이산화탄소를 포함하는 가스를 확산시키기 위한 제1 가스 확산 전극, 상기 제1 가스 확산 전극과 상기 이온 교환막 사이에 위치하며 전해질 용액인 음극액(Catholyte)이 이동하는 통로인 제1 전해질 유로 및 상기 제1 가스 확산 전극에서 상기 음극액을 향하는 면에 형성되어 있으며 상기 음극액과 접촉하여 화학반응을 일으키기 위한 제1 촉매를 포함하여 이루어지고,
상기 양극부는, 산소를 포함하는 가스를 확산시키기 위한 제2 가스 확산 전극, 상기 제2 가스 확산 전극과 상기 이온 교환막 사이에 위치하며 전해질 용액인 양극액(Anolyte)이 이동하는 통로인 제2 전해질 유로 및 상기 제2 가스 확산 전극에서 상기 양극액을 향하는 면에 형성되어 있으며 상기 양극액과 접촉하여 화학반응을 일으키기 위한 제2 촉매를 포함하여 이루어지며,
상기 제1 촉매는 전이 금속 디칼코겐 이원 화합물(Transition metal dichalcogenide, TMDC) 계열이며, 상기 제1 가스 확산 전극에서 상기 음극액을 향하는 면에 도핑(doping)되어 있고,
상기 제1 촉매는 TMDC 계열의 MoS2, WS2, MoSe2 또는 WSe2 중 어느 하나로 구현되고,
상기 음극액은 EMIN-BF4 또는 염화 콜린(Choline chloride)으로 구현되며,
이산화탄소가 상기 가스 유로를 통하여 공급되고, 상기 제1 가스 확산 전극을 통해 확산되며, 상기 제1 전해질 유로를 통해 공급된 전해질인 음극액에 의해 용해되고,
상기 제1 촉매와 음극액의 경계면에서 이산화탄소가 저감되고, 이산화탄소가 변환되어 생성된 합성 가스가 다시 상기 제1 가스 확산 전극을 통하여 상기 가스 유로로 배출되며,
상기 제2 촉매에서 물의 전기분해 산화반응이 발생하여, 물 분자가 수소 양이온과 산소로 분해되고, 상기 제2 가스 확산 전극을 통하여 산소가 외부로 배출되며, 상기 산화반응시 발생한 전자가 전선을 통하여 상기 음극부로 이동하는 것을 특징으로 하는 유동 셀 반응 장치.
Cathode;
Anode; And
And an ion exchange membrane (Ion Exchange Membrane) disposed between the cathode and the anode to exchange ions therebetween,
Wherein the cathode portion is a passage through which carbon dioxide moves, and includes a gas flow path for collecting and receiving electrons from the connected battery, a first gas diffusion electrode formed on one surface of the gas flow path for diffusing a gas containing carbon dioxide, A first electrolyte flow path which is a path through which a cathode solution which is an electrolyte solution moves and which is positioned between the diffusion electrode and the ion exchange membrane and a second electrolyte flow path which is formed on a surface of the first gas diffusion electrode facing the cathode solution, And a first catalyst for causing a chemical reaction,
The anode section includes a second gas diffusion electrode for diffusing oxygen-containing gas, a second gas diffusion electrode positioned between the second gas diffusion electrode and the ion exchange membrane and being a passage through which an anode solution (anolyte) And a second catalyst formed on a surface of the second gas diffusion electrode facing the anolyte and contacting with the anolyte to cause a chemical reaction,
Wherein the first catalyst is a transition metal dichalcogenide (TMDC) series doped on a surface of the first gas diffusion electrode facing the cathode solution,
Wherein the first catalyst is implemented by any of TMDC series MoS 2 , WS 2 , MoSe 2, or WSe 2 ,
The catholyte solution is implemented with EMIN-BF 4 or choline chloride,
Carbon dioxide is supplied through the gas flow channel, is diffused through the first gas diffusion electrode, is dissolved by the catholyte solution, which is an electrolyte supplied through the first electrolyte flow channel,
The carbon dioxide is reduced at the interface between the first catalyst and the cathode liquid, the syngas produced by converting the carbon dioxide is again discharged to the gas flow path through the first gas diffusion electrode,
The electrolysis oxidation reaction of water occurs in the second catalyst so that water molecules are decomposed into hydrogen cations and oxygen and oxygen is discharged to the outside through the second gas diffusion electrode, And moves to the cathode portion.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 제2 촉매는 백금인 것임을 특징으로 하는 유동 셀 반응 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the second catalyst is platinum.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 촉매는 IrO2인 것임을 특징으로 하는 유동 셀 반응 장치.The method according to claim 1,
Wherein the second catalyst is IrO 2 .
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