KR102028709B1 - 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템에 관한 것으로, 온실 가스인 이산화탄소를 원료로 수소와 염소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 이용하여 발생하는 염소를 직접 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 수소를 사용하는 연료전지(또는 동력장치) 및/또는 개질기를 추가적으로 결합함으로써, 선박 운행 중 발생하는 이산화탄소를 지속적으로 제거할 수 있다. 동시에, 발생하는 염소를 선박의 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있고, 발생하는 수소를 연료전지 또는 동력장치의 연료로도 사용할 수 있다.

Description

이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템{BALLAST WATER TREATMENT SYSTEM USING CARBON DIOXIDE UTILIZATION SYSTEM}
본 발명은 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템에 관한 것이다.
최근 산업화와 더불어 온실가스의 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 온실가스 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업 유형별 이산화탄소 배출량은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트/철강/정제 산업 등에서 발생되는 이산화탄소가 전 세계 발생량의 절반을 차지하고 있다. 이산화탄소 전환/활용 분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있으며, 기술적 범주로는 촉매, 전기화학, 바이오 공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분 지을 수 있다. 이산화탄소는 다양한 산업 및 공정에서 발생되고, 하나의 기술로 이산화탄소 저감을 달성할 수 없기 때문에 이산화탄소 저감을 위한 다양한 접근 방식이 필요하다.
현재 미국 에너지성 DOE(Department Of Energy)는 이산화탄소를 저감하기 위한 기술로 CCS(Carbon Capture & Storage)와 CCU (CC & Utilization)이 복합된 CCUS 기술에 관심을 두고 다각적 기술 개발을 추진 중이다. CCUS 기술은 효과적인 온실가스 감축 방안으로 인정받고 있으나, 고 투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 낮은 기술 성숙도의 문제에 직면하고 있다. 또한, 에너지 및 기후 정책적 관점에서 CCUS는 온실가스 배출량을 실질적으로 감축하는 수단을 제공하지만 기술의 실현에는 보완 사항이 많다. 따라서, 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술 개발이 요구되고 있다.
한편, 선박은 항해의 안정성을 유지하기 위해 운행 중 선체의 평형을 맞추고 무게 중심을 낮춘다. 대부분의 경우 선박의 평형을 맞추기 위한 물질로 주입 및 배출이 용이한 물을 사용하고 있다. 이러한 선체의 평형물질로 사용되는 물을 평형수(ballast water)라고 한다. 평형수의 주입과 배출은 대부분 화물이 선적되는 항만 부근 해역에서 이루어지게 되므로, 선박에 주입된 해수 및 수중생물은 선박의 운항거리에 따라 장거리를 이동하게 된다. 이러한 수중생물에 의해 발생하는 생태계 교란을 차단하기 위해 선박 내부에는 평형수처리 시스템(BWTS, ballast water treatment system)이 의무적으로 탑재되어 있다.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행 특허문헌으로서, 등록특허공보 제10-1466113호에는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리 기술이 기재되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1466113호 (2014.11.21.)
본 발명의 목적은 온실 가스인 이산화탄소를 원료로 수소와 염소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템과 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생하는 수소를 연료로 활용할 수 있는 연료전지 또는 동력장치를 결합한 복합 처리 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응 공간, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 환원전극, 상기 환원전극에서 발생하는 수소를 배출하는 수소 배출부, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 산화전극, 상기 산화전극에서 발생하는 염소를 배출하는 염소 배출부 및 상기 환원전극 및 산화전극과 전기적으로 연결되는 전원을 포함하는 이산화탄소 활용 시스템 및 평형수를 공급하는 평형수 공급부, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 염소 배출부와 연결되어 공급받은 염소로 상기 평형수를 처리하는 평형수 처리부, 상기 평형수 처리부에서 염소 처리된 평형수를 배출하는 평형수 배출부를 포함하는 평형수 처리 시스템을 포함하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템 및 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생하는 수소를 사용하는 연료전지 또는 동력장치를 포함하는, 복합 처리 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 온실 가스인 이산화탄소를 원료로 수소와 염소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 이용하여 발생하는 염소를 직접 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 수소를 사용하는 연료전지(또는 동력장치) 및/또는 개질기를 추가적으로 결합함으로써, 선박 운행 중 발생하는 이산화탄소를 지속적으로 제거할 수 있다. 동시에, 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생하는 염소와 수소를 평형수 처리 시스템과 연료전지 또는 동력장치의 연료로도 각각 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 처리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 처리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100)은 반응 공간(100), 상기 반응 공간(100)에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액(120), 상기 반응 공간(100)에서 상기 전해질 수용액(120)에 적어도 일부가 잠기는 환원전극(130), 상기 환원전극(130)에서 발생하는 수소를 배출하는 수소 배출부(140), 상기 반응 공간(100)에서 상기 전해질 수용액(120)에 적어도 일부가 잠기는 산화전극(150), 상기 산화전극(150)에서 발생하는 염소를 배출하는 염소 배출부(160) 및 상기 환원전극(130) 및 산화전극(150)과 전기적으로 연결되는 전원(170)을 포함한다. 이산화탄소 활용 시스템(100)은 전원(170)으로부터 공급되는 전기에너지를 이용하여 이산화탄소를 원료로 수소 및 염소를 발생시킴으로써, 온실가스인 이산화탄소를 제거할 수 있다.
반응 공간(110)에서는 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
전해질 수용액(120)은 반응 공간(110)에 담기며, 전해질 수용액(120)에 환원전극(130)의 적어도 일부와 산화전극(150)의 적어도 일부가 잠긴다. 전해질 수용액(120)은 바닷물이나 소금물과 같이 염소 이온(Cl-)을 포함하는 전해질 수용액으로서, 본 실시예에서는 염화나트륨(NaCl) 수용액인 것으로 설명한다. 그에 따른 전해질 수용액(120)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-)을 포함하게 된다.
환원전극(130)은 반응 공간(110)에서 전해질 수용액(120)에 적어도 일부가 잠긴다. 환원전극(130)는 전원(170)의 음극과 전기적으로 연결되어서 전원(170)으로부터 전자를 공급받는다. 환원전극(130)은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 수소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 환원전극(130)에서는 환원 반응에 의한 수소발생반응(HER; Hydrogen Evolution Reaction)이 일어나게 된다.
수소 배출부(140)는 전해질 수용액(120)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간(110)의 환원 전극 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 수소 배출구(140)를 통해서는 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생한 수소가 배출된다.
산화전극(150)은 반응 공간(110)에서 전해질 수용액(120)에 적어도 일부가 잠긴다. 산화전극(150)은 전원(170)의 양극과 전기적으로 연결되어서 전원(170)으로 전자를 공급한다. 본 실시예에서 산화 전극(150)은 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)이 사용되는 것으로 설명한다. 또한, 추가적으로 산화전극(150)은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 연소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 산화전극(158)에서는 산화 반응에 의한 염소발생반응(CER; Chlorine Evolution Reaction)이 일어나게 된다.
염소 배출부(160)는 상기 산화전극(150) 발생하는 염소(Cl2) 또는 염소계 화합물(HClO 등)을 이산화탄소 활용 시스템(100)의 외부로 배출하며, 별도로 상기 염소 또는 염소계 화합물을 저장부에 보관하거나 평형수 처리 시스템(200)의 평형수 처리부(220)로 상기 염소 또는 염소계 화합물을 직접 공급할 수 있도록 한다.
상기 반응 공간(110)에는 이산화탄소가 공급되는 유입구가 형성될 수 있다. 상기 유입구는 반응 공간(110)의 전해질 수용액(120)의 수면보다 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 유입구를 통해 원료인 이산화탄소가 반응 공간(110)으로 유입되는데, 필요 시 전해질 수용액(120)도 유입될 수 있다.
이제, 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 이산화탄소가 제거되면서 수소가 발생되는 과정을 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유입구를 통해 염화나트륨 수용액인 전해질 수용액(120)으로 이산화탄소 가스가 주입되며, 반응 공간(110)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.
[반응식 1]
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq)
즉, 반응 공간(110)으로 공급된 이산화탄소(CO2)가 전해질 수용액(120)의 용매인 물(H2O)과 자발적인 화학반응을 통해 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)이 생성된다. [반응식 1]의 반응은 전해질 수용액은 산성화 시킨다.
또한, 환원전극(130)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 2]
2H+(aq) + 2e- → H2(g) (E0 = 0.00 V vs. SHE)
즉, 환원전극(130)의 주변에서 수소 양이온(H+)은 환원전극(130)로부터 전자(e-)를 받아서 수소(H2) 기체가 발생하게 된다. 환원전극(130)에서 일어나는 수소발생반응은 전해질 수용액(120)을 염기성화 시킨다. 발생된 수소(H2) 기체는 수소 배출부(140)를 통해서 외부로 배출될 수 있다.
아울러, 환원전극(130)의 주변에서는 다음 [반응식 3]와 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq)
그리고, 산화전극(150)에서는 다음 [화학식 4]와 같은 염소발생반응이 일어난다.
[반응식 4]
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (E0 = 1.25 V vs. SHE)
결국, 최종 반응식은 화학 반응식인 다음 [반응식 5] 및 전해 반응식인 다음 [반응식 6]과 같다.
[반응식 5]
2NaCl(aq) + 2H2O(l) + 2CO2(g) → 2NaHCO3(aq) + 2H+(aq) + 2Cl-(aq)
[반응식 6]
2H+(aq) + 2Cl-(aq) → H2(g) + Cl2(g)
[반응식 5]와 [반응식 6]으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전해반응 후 수소 이온(H+)이 사라지게 되므로, 전해질 수용액(120)의 pH가 증가하여 염기성화됨으로써, 유입구를 통해 유입되는 이산화탄소가 계속해서 용해될 수 있다. 초기에 염화나트륨(NaCl) 수용액이었던 전해질 수용액(120)은 반응이 계속 진행되면서 점점 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액으로 변하게 된다.
본 실시예에서는 전해질 수용액(120)으로서 염화나트륨(NaCl) 수용액이 사용되는 것으로 설명하였으나, 염화나트륨 수용액 대신 염화칼륨(KCl) 수용액이나 염화칼슘(CaCl2) 수용액 등 다른 양이온을 포함하는 용액이 사용될 수 있으며, 이 경우 이에 대응하는 탄산염이 생성될 수 있다.
상기 이산화탄소 활용 시스템(100)은 상기 전해질 수용액(120)에 용해되는 이산화탄소의 양이 설정 값 이상으로 유지되도록 상기 산화전극에서 생성되는 염소의 양을 조절하여, 상기 전해질 수용액(120)의 pH를 설정 값 이상으로 유지시킬 수 있다.
한편, 전해질 수용액(120)으로 염소 이온(Cl-)이 없는 용액을 사용하여 진행하면 산화전극(150)에서는 다음 [반응식 7]과 같은 산소발생반응이 이루어진다.
[반응식 7]
4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
그에 따라, 전해질 수용액(120)의 pH가 변하지 않게 되어 이산화탄소가 추가적으로 용해되지 않는다.
전원(170)은 이산화탄소 활용 시스템(100)으로 전기 에너지를 제공한다. 전원(170)의 양극은 이산화탄소 활용 시스템(100)의 산화 전극(150)과 전기적으로 연결되고 전원(170)의 음극은 이산화탄소 활용 시스템(100)의 환원 전극(130)과 전기적으로 연결된다. 전원(170)으로는 태양 전지와 풍력발전 등의 신재생 에너지를 포함하여 전기 에너지를 제공할 수 있는 모든 형태의 전원이 사용될 수 있다.
도 2에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100)은 상기 이산화탄소 활용 시스템(100)은, 이온화되지 않은 이산화탄소가 상기 반응 공간으로 직접 공급되지 않도록, 상기 반응 공간과 연통되고, 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액을 수용하는 수용 공간을 구비하는 이산화탄소 처리부(300)를 더 포함한다.
반응 공간(110), 전해질 수용액(120), 환원전극(130), 수소 배출부(140), 산화전극(150), 염소 배출부(160) 및 전원(170)은 도 1에 도시된 실시예에서 설명된 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이산화탄소 처리부(300)는 수용 공간(310)에 수용되고 반응 공간(110)에 담긴 전해질 수용액(120)과 동일한 수용액을 구비한다.
이산화탄소 처리부(300)는 수용 공간(310)으로 이산화탄소가 유입되는 유입구(320) 및 상기 수용 공간(310)과 상기 반응 공간(110)이 연통되도록 형성된 연통구(330)를 구비한다.
상기 유입구(320)는 상기 수용 공간(310)의 전해질 수용액(120)의 수면보다 아래에 위치할 수 있다. 유입구(320)를 통해 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 원료로 사용되는 이산화탄소가 수용 공간(310)으로 유입되며, 필요에 따라 전해질 수용액(120)도 공급될 수 있다.
연통구(330)는 수용 공간(310)에서 유입구(320)보다 아래에 위치하며, 연통구(330)를 통해 수용 공간(310)은 반응 공간(110)과 연통된다.
배출구(340)는 수용 공간(310)에서 유입구(320) 및 전해질 수용액(120)의 수면보다 위에 위치한다. 배출구(340)를 통해 수용 공간(310)에서 전해질 수용액(120)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소가 외부로 배출된다. 배출구(340)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 순환 공급부(350)를 통해 유입구(320)로 공급된다.
이산화탄소 순환 공급부(350)는 배출구(340)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스를 유입구(320)로 순환시켜서 재공급한다.
유입구(320)를 통해 이산화탄소 처리부(300)의 수용 공간(310)으로 유입된 이산화탄소 중 전해질 수용액(120)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소는 반응 공간(110)으로 이동하지 못하고 상승하여 수용 공간(310) 내 전해질 수용액(120)의 수면 위 공간에 모인 후 배출구(340)를 통해 배출되고 배출구(340)를 통해 배출된 이산화탄소는 이산화탄소 순환 공급부(350)에 의해 유입구(320)를 통해 수용 공간(310)으로 공급되어서 재활용된다. 또한, 이산화탄소 처리부(300)의 수용 공간(310)으로 유입된 이산화탄소 중 전해질 수용액(120)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소는 반응 공간(110)으로 이동하지 못하므로, 수소 배출부(140)를 통해서 이산화탄소가 섞이지 않은 고순도의 수소가 배출될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100)을 이용한 평형수 처리 시스템(200)의 구성을 블록도로 개략적으로 도시하였다. 도 3을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100)을 이용한 평형수 처리 시스템(200)은 상기 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 배출되는 염소 또는 염소계 화합물을 이용하여 평형수를 처리한다.
평형수 처리 시스템(200)은 평형수를 공급하는 평형수 공급부(210), 상기 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생한 염소 또는 염소계 화합물을 공급받아 상기 평형수를 처리하는 평형수 처리부(220), 상기 평형수 처리부(220)에서 염소 처리된 평형수를 배출하는 평형수 배출부(230)를 포함한다.
상기 평형수 처리부에서는 하기 [반응식 8] 및 [반응식 9]의 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 8]
Cl2(g) + H2O(aq) -> HCl(aq) + HClO(aq)
[반응식 9]
HClO(aq) -> H+(aq) + ClO-(aq)
HClO(aq)는 차아염소산으로 우수한 살균작용을 나타낸다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복합 처리 시스템의 개략적이 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 처리 시스템은 이산화탄소(CO2)를 제거하면서 수소(H2) 및 염소(Cl2)를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템(100), 상기 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생된 염소를 사용하는 평형수 처리 시스템(200) 및 상기 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생된 수소를 사용하는 연료전지 또는 동력장치(400)를 포함한다.
이산화탄소 활용 시스템(100) 및 평형수 처리 시스템(200)은 앞서 설명한 바와 같으므로, 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
연료전지(400)는 수소와 산소의 화학반응에 의해 물이 생성됨과 아울러 전기에너지를 발생시키는 것이다. 동력장치(400)는 수소를 내연기관의 휘발유와 같이 직접 연소시켜 동력을 발생시키는 것이다. 연료전지 또는 동력장치(400)는 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생한 수소 및/또는 개질기(500)에서 생산된 수소를 연료로 공급받을 수 있다.
상기 연료전지(400)는 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 복합 처리 시스템의 개략적이 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합 처리 시스템은 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기(500)를 더 포함하며, 상기 개질기(500)에서 발생한 이산화탄소는 상기 이산화탄소 활용 시스템으로 공급되고, 상기 개질가스는 상기 연료전지 또는 동력장치(400)로 공급될 수 있다.
개질기(500)는 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 개질기(500)에서 생산된 개질가스는 연료전지 또는 동력장치(400)로 공급되고, 개질기(500)에서 부가적으로 발생된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 활용 시스템(100)로 공급된다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 개질기(500)가 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 것으로 설명한다.
메탄-수증기 개질기는 공정 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능한 장점들 때문에 수소 생산 공정 중 상당히 많은 부분을 차지하고 있다. 다음의 [반응식 10] 및 [반응식 11]은 메탄-수증기 개질기의 개질 반응에 관한 것이다.
[반응식 10]
CH4(g) + H2O(g) -> CO(g) + 3H2(g)
[반응식 11]
CO(g) + H2O(g) -> CO2(g) + H2(g)
즉 메탄과 수증기의 화학반응에 의해 일산화탄소(CO)와 수소가 생성되며, 연속적으로 일산화탄소와 수증기의 화학반응에 의해 최종적으로 수소가 생산될 수 있다.
그런데 상기 메탄-수증기 개질기(500)는 상술한 많은 장점을 갖고 있지만, 상기 [반응식 10] 및 [반응식 11]에서 알 수 있는 바와 같이 그 공정의 운영을 위해 외부에서 수증기를 공급해줘야 하며, 수소 생산의 부산물로서 지구 온난화 환경문제의 주원인이 되는 이산화탄소가 발생될 수 밖에 없다는 문제점이 있다. 하지만 본 발명의 경우, 메탄-수증기 개질기에서 발생되는 이산화탄소는 대기 중으로 방출되거나 별도의 이산화탄소 포집, 저장 공정으로 전달되는 대신, 이산화탄소 활용 시스템(100)에 수소 발생을 위한 원료로 전달됨으로써 메탄-수증기 개질기의 운영에 있어 필요악인 이산화탄소 발생 문제까지 해결될 수 있다. 메탄-수증기 개질기는 공지된 기술이므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 처리 시스템은 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생하는 수소는 연료전지 또는 동력장치(400)로, 염소는 평형수 처리 시스템(200)으로 공급되고, 연료전지 또는 동력장치(400)에서 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 활용 시스템(100)로 공급된다. 또한, 개질기(500)에서 배출되는 수소, 탄화수소 및 일산화탄소는 연료전지 또는 동력장치(400)에 연료로 공급한다.
상기 복합 처리 시스템을 선박에서 사용하면, 선박 운행 중 발생하는 이산화탄소를 지속적으로 제거할 수 있고, 이 때, 발생하는 염소를 선박의 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있으며, 발생하는 수소를 연료전지 또는 동력장치의 연료로 사용할 수 있다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 이산화탄소 활용 시스템 110 : 반응 공간
120 : 전해질 수용액 130 : 환원 전극
140 : 수소 배출부 150 : 산화전극
160 : 염소 배출부 170 : 전원
200 : 평형수 처리 시스템 210 : 평형수 공급부
220 : 평형수 처리부 230 : 평형수 배출부
300 : 이산화탄소 처리부 310 : 수용 공간
320 : 유입구 330 : 연통구
340 : 배출구 350 : 순환 공급부
400 : 연료전지 또는 동력장치 500 : 개질기

Claims (16)

  1. 반응 공간, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 환원전극, 상기 환원전극에서 발생하는 수소를 배출하는 수소 배출부, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 산화전극, 상기 산화전극에서 발생하는 염소를 배출하는 염소 배출부, 상기 환원전극 및 산화전극과 전기적으로 연결되는 전원, 및 이온화되지 않은 이산화탄소가 상기 반응 공간으로 직접 공급되지 않도록 상기 반응 공간과 연통되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액을 수용하는 수용 공간을 구비하는 이산화탄소 처리부를 포함하는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    평형수를 공급하는 평형수 공급부, 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 염소로 상기 평형수를 처리하는 평형수 처리부, 및 상기 평형수 처리부에서 염소 처리된 평형수를 배출하는 평형수 배출부를 포함하는 평형수 처리 시스템;을 포함하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은 반응 공간으로 주입된 이산화탄소가 상기 반응 공간의 전해질 수용액으로 유입되어, 상기 전해질 수용액의 물과 상기 이산화탄소의 반응에 의해 수소이온과 중탄산염이 생성되고,
    상기 전원에 의해 직류 전기가 인가되어, 상기 환원전극에서는 상기 수소이온과 상기 환원전극의 전자가 결합되어 수소가 발생하고, 상기 산화전극에서는 상기 염소 음이온에서 전자가 분리되어 염소가 발생하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은 상기 전해질 수용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 설정 값 이상으로 유지되도록 상기 산화전극에서 생성되는 염소의 양을 조절하여, 상기 전해질 수용액의 pH를 설정 값 이상으로 유지시키는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 수용액은 염화나트륨, 염화칼륨 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 수용액은 해수인, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 전해질 수용액과의 비중 차이를 이용하여 분리하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 수용 공간의 상기 전해질 수용액의 수면 상부에서 수집하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 이산화탄소가 유입되는 유입구; 및 상기 수용 공간과 상기 반응 공간이 연통되도록 형성된 연통구;를 구비하고,
    상기 유입구는 상기 수용 공간의 전해질 수용액의 수면보다 아래에 위치하고, 상기 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소가 배출되도록 상기 수용 공간의 전해질 수용액의 수면보다 위에 위치하는 배출구가 형성되는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 수용 공간의 전해질 수용액으로 재공급하는 순환 공급부를 더 포함하는, 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 이산화탄소 활용 시스템을 이용한 평형수 처리 시스템; 및
    상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생하는 수소를 사용하는 연료전지 또는 동력장치;를 포함하는, 복합 처리 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기를 더 포함하며,
    상기 개질기에서 발생한 이산화탄소는 상기 이산화탄소 활용 시스템으로 공급되고, 상기 개질가스는 상기 연료전지 또는 동력장치로 공급되는, 복합 처리 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료전지 또는 동력장치에서 생성되는 이산화탄소는 상기 이산화탄소 활용 시스템으로 공급되는, 복합 처리 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)인, 복합 처리 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료전지는 탄화수소를 사용하고 이산화탄소를 배출하는 고체산화물 연료전지(SOFC)인, 복합 처리 시스템.
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