KR102101947B1 - 실시간 최적화 태양 에너지-이산화탄소 환원 시스템 - Google Patents

실시간 최적화 태양 에너지-이산화탄소 환원 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은, 태양전지; 이산화탄소 전해기 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC-EC 조합부를 포함하는 전해부; 전해액과 상기 이산화탄소 전해기 내의 전극이 접촉하여 환원 반응이 일어나는 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부; 상기 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부; 및 상기 이산화탄소 전해기에서 생성되는 생성물을 포집하는 포집부;를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 포집부에서 원하는 생성물이 최대가 되는 전압에서 가동되는 이산화탄소 전해기에 필요한 전력과 상기 태양전지의 최대 전력과의 차이가 최소화되도록 상기 유효면적을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

실시간 최적화 태양 에너지-이산화탄소 환원 시스템 {In-situ Optimized Solar Energy-Carbon Dioxide Reduction System}
본 발명은 친환경 이산화탄소 환원 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대표적인 온실 가스인 이산화탄소를 태양광을 이용해 최대 효율로 고 탄소수의 탄화수소로 변환시키는 이산화탄소 환원 시스템에 관한 것이다.
화석 연료의 남용과 지나친 의존으로 인한 현대 사회의 에너지 및 환경 문제를 타개하기 위해서 최근 대체 에너지 기술에 대한 관심이 매우 높아지고 있으며, 전세계적으로 대체 에너지 기술 개발이 매우 활발하게 이루어지고 있다.
이 중, 이산화탄소 환원을 통한 연료생산은 화석연료 사용으로 발생한 온실가스 농도를 직접적으로 낮추면서도 에너지 밀도가 높고 화석 연료에 필적하는 높은 탄소 수를 가지는 탄화수소를 생산할 수 있다는 점에서 고부가가치의 기술로 관심을 모으고 있다.
이러한 이산화탄소 환원 기술은 열 또는 전기 에너지를 사용하여 이산화탄소를 환원시켜 원하는 생성물을 얻게 되는데, 이산화탄소의 환원에 필요한 열 또는 전기 에너지를 얻기 위하여 석유 등의 다른 화석연료 에너지원을 사용한다면 또 다른 환경 문제를 발생시킬 가능성이 있다. 따라서, 이산화탄소 환원 기술을 보다 친환경적으로 발전시키기 위하여 신재생 에너지원을 이용하는 것이 바람직하다.
신재생 에너지원 중 가장 부상하고 있는 태양광을 에너지원으로 이산화탄소를 환원시키는 기술은 궁극적인 친환경 기술로 고부가가치의 탄화 수소 물질을 얻을 수 있는 기술이다.
하지만 태양전지는 특정 빛 세기에 대한 특정 전압과 전류만을 전해기에 인가할 수 있으나, 이산화탄소는 전해기에 인가되는 전압에 따라 생성물의 종류와 구성이 달라지기 때문에 태양전지와 전해기를 직접 연결 시 사용자가 원하는 생성물을 조절하여 얻기가 매우 어렵다.
특히, 이산화탄소는 반응 활성화를 위해 높은 에너지를 요구하며, 반응에 의한 생성물이 수소 및 다양한 탄화수소 종을 포함하므로 화학적 선택성이 낮다는 문제가 있다. 예컨대, 이산화탄소의 전기 화학적 전환을 통해 4개 이상의 탄소로 구성된 탄화수소를 생산하고자 할 경우, 20개 이상의 전자와 양성자가 관여해야 한다. 이 때, 같은 조건에서 (압력, 온도, 인가 전압) 일어나는 수소 발생 반응은 두 개의 전자와 양성자만을 요구한다는 점을 고려해 볼 때 이산화탄소 환원 반응은 태생적으로 기술적 난제를 지닌다.
또한 전기 분해 장치들에 인가되는 전기 에너지는 궁극적으로 대체 에너지원에서부터 제공이 되어야 하지만, 일정하게 제공할 수 있는 석유 에너지와 달리 태양 에너지와 같은 대체 에너지원들은 시각과 위치에 따라 큰 편차를 가지기 때문에 일정한 전기 에너지를 제공 해주지 못하여 이산화 탄소 환원 반응 시 특정 생성물을 극대화 하는 것에는 부적합하다.
본 발명은 태양광을 통하여 발생한 에너지를 이용해 이산화탄소를 환원하여 원하는 탄화 수소 유도체로 최대 효율로 변환시킬 수 있는 이산화탄소 환원 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은, 태양전지; 이산화탄소 전해기 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC-EC 조합부를 포함하는 전해부; 전해액과 상기 이산화탄소 전해기 내의 전극이 접촉하여 환원 반응이 일어나는 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부; 상기 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부; 및 상기 이산화탄소 전해기에서 생성되는 생성물을 포집하는 포집부;를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 포집부에서 원하는 생성물이 최대가 되는 전압에서 가동되는 이산화탄소 전해기에 필요한 전력과 상기 태양전지의 최대 전력과의 차이가 최소화되도록 상기 유효면적을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 전해부는 복수 개의 DC-EC 조합부를 포함하며, 상기 복수 개의 DC-EC 조합부는 상기 태양전지에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 전극 유효면적 제어부는 복수 개의 DC-EC 조합부 중 가동되는 DC-EC 조합부의 수를 제어하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 DC/DC 컨버터는 시비율을 가지는 PWM 신호로 제어되는 벅 컨버터이며, 상기 시비율은 0.6 ~ 0.9로 제어될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 전해기는 적층된 복수의 셀을 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 적층된 복수의 셀 중 적어도 일부를 가동하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 이산화탄소 전해기에 실제 인가되는 전압 또는 전류를 측정하는 전류-전압 측정부를 더 포함하며, 상기 DC/DC 이득 제어부는 전류-전압 측정부에서 측정된 전압 또는 전류에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 메모리를 더 포함하며, 상기 메모리는 상기 이산화탄소 전해기에 인가되는 전압-전류 별 생성물 추이를 미리 룩업테이블의 형태로 저장하고, 상기 DC/DC 이득 제어부는 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 액체 상태의 생성물을 측정하는 액체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 액체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 전해기는 순차적으로 적층된 기틀전극, 산화전극, 이온교환막 및 환원 전극을 포함하는 셀을 포함하며, 상기 기틀 전극은 상기 전해액이 순환하는 통로를 구비할 수 있다.
또한, 상기 산화 전극은 기판 및 상기 기판에 도포되는 나노 입자를 포함하며, 상기 나노 입자는 10 ~ 500 nm의 크기를 가지며, 상기 산화 전극은 상기 나노 입자가 녹아 있는 용액을 스프레이, 드랍 또는 스핀 코팅하여 생성되며, 상기 산화 전극 1cm2 당 10 mg을 넘지 않을 수 있다.
또한, 상기 전해액 순환에 에너지는 상기 태양전지에서 발생한 전류의 5% 미만이 되도록 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 촉매 효율이 높은 전이 금속을 기반으로 하여 전해기를 형성 후 태양전지와 컨버터를 간단하게 연결하여 특정 생성물을 최대 효율과 수득률로 안정적으로 모을 수 있으며, 성장하는 이산화탄소 전환 시장에 있어서 가장 중요한 요소인 촉매 시장에 대한 선점효과와 현재 이산화탄소 환원을 대체 에너지원을 통해 친환경적으로 이루어 낼 수 있다.
또한, 본 발명에서 구리 환원 극 기반의 이산화 탄소 전해기와 이를 컨버터, 태양전지와 연결한 시스템은 현재 탄소 배출 감축이 절실히 요구되는 현 상황에서 친환경적으로 이를 해결하고 고부가가치를 창출하여 혁신을 도모한 사례로 실용화 가능성이 높으며, 본 발명에서 제안하는 시스템은 연료전지 및 배터리 등 다양한 전기 화학 시스템에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유효면적 가변 전극을 포함하는 이산화탄소 전해기를 나타낸 도면이다.
도 7은 종래 기술의 태양광을 이용한 전기 분해 장치의 블록도 및 등가 회로도이다.
도 8 및 도 9는 종래 기술의 태양광을 이용한 전기 분해 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 설명하기에 앞서 도 7 내지 도 9를 이용하여 본 발명의 종래 기술의 문제점에 대하여 상세히 설명한다.
도 7(a)는 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 7(b)는 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템의 등가회로도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)에 따르면, 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템은 태양전지(610), DC/DC 컨버터(630) 및 전기분해장치(650)를 포함할 수 있다.
이 경우, 태양전지(610)에서 전력이 생산되면 DC/DC 컨버터(630)에서 통하여 전기 분해 시에 필요한 인가 전압(VEC)으로 변환한 후 전기분해장치(650)에서 상기 필요한 전압(VEC)을 전기분해장치(650)의 음극 및 양극에 인가하여 사용자가 원하는 물질을 얻게 된다.
단, 이러한 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템을 이용하여 이산화탄소를 환원하고자 하는 경우에는 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같은 문제점이 발생한다.
보다 구체적으로, 예를 들어, 전기 분해의 활용예로 가장 많이 언급되는 수소 생성을 위한 전기 분해의 경우에 인가 전압(VEC)과 관계없이 생성물이 일정하게 생성된다.
그러나, 이산화탄소의 전기분해의 경우에는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 인가되는 전압에 따라 물질의 총 생산 속도와 생성되는 물질의 종류, 생성되는 물질의 비율이 달라진다. 따라서, 원하는 물질, 예를 들어, 에틸렌(Ethylene)과 같은 탄화수소 계열의 물질을 효율적으로 생성하기 위해서는 기존의 전기분해 장치를 그대로 활용하기 어렵다.
또한, 도 9에 따르면, 태양전지에서 최대 효율(A")로 전력을 생산하여 전기분해장치(650)에서 원하는 물질을 획득할 수 있는 전압(B")으로 변환하여 인가하는 경우에 총생산속도가 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이산화탄소를 분해하여 원하는 물질을 최적화된 가장 효율적인 전압으로 구동하기 위한 친환경 이산화탄소 환원 시스템을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 전해부(300), 제어부(200), 포집부(400), 센서부(500) 및 태양전지(710)를 포함한다.
전해부(300)는 이산화탄소 전해기(310) 및 DC/DC 컨버터(330)를 각각 포함하는 복수의 DC-EC 조합부(305)를 포함하며, 이때, 복수의 DC-EC 조합부(305) (n개)가 병렬연결 되어 있어 밀폐 용기를 포함하는 포집부(400)에 최종적인 생성물들을 모두 모을 수 있도록 구성된다.
도 1을 참조하면 하나의 태양전지(710)에 복수의(예컨대, 8개) DC-EC 조합부(305)가 연결되어 있으며, 전극 유효면적 제어부(210)가 필요한 수의 이산화탄소 전해기(310)가 가동되도록 제어하여 이산화탄소를 환원한다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 이산화탄소 전해기(310)는 도 5에 나타낸 바와 같은 셀(351)을 포함한다. 셀(351)은 순차적으로 적층된 기틀전극(352, 358), 산화전극(354), 이온교환막(356) 및 환원 전극(357)을 포함할 수 있다.
이 때, 산화전극(354)은 Ir, Mn, Co, Fe, Ru 등의 금속 기반의 산화물을 기반의 전극이며, 환원전극(357)은 Cu를 20~80% 정도의 조성을 유지하면서 Ti, Zr, Hf, Ni, Bi 등의 금속 원소를 섞어 만든 합금으로 한다. 그리고, 산화전극(354)과 환원전극(357) 사이에 이온교환막(356) 넣고 압착하여 막-전극 접합체를 형성한다. 그 후 산화전극(354)과 환원전극(357) 각각에 전해질 통로가 형성되어 있는 제 1 및 제 2 기틀전극(탄소 기반 전극)을 적층하여 기틀로 잡아 주어 이산화탄소 전해기(310)의 셀(351)을 형성한다.
이 때, 셀(351)의 1 cm2 면적당 발생 전류가 0.5-10 mA 정도에서 수소가 아닌 이산화탄소 환원 생성물 발생 효율이 최대가 될 수 있다. KHCO3 전해액에서 산화 촉매의 경우 약 1.2 ~ 1.4V (vs. RHE)의 범위에서, 환원 촉매의 경우 - 0.7 ~ -1.3V (vs.RHE)의 범위에서 면적 1 cm2에 0.5 ~ 10 mA의 전류가 발생하게 되며 이를 통해 약 이산화탄소 전해기가 1.9 ~ 2.7V의 전체 전압에서 이산화탄소 발생 효율이 최대가 될 수 있다.
바람직하게는 환원 전극(357)은, Cu 및 Bi 기반의 전극을 활용하며, 기판, 폼, 나노 입자 (10-500 nm), 전기 증착, 산화 후 재환원된 전극을 포함할 수 있다.
바람직하게는 산화 전극(354)은, Ir, Mn, Co, Ru, Fe 산화 전극의 경우 나노 입자 (10-500 nm), 폼, 전기 증착된 산화물을 포함할 수 있다.
한편, 산화 전극(354) 및 환원 전극(357)에서, 나노 입자를 기판 전극에 도포하는 경우 나노 입자가 녹아있는 용액을 스프레이, 드랍, 스핀 코팅 할 수 있으며 1 cm2의 면적당 10 mg을 넘지 않도록 한다.
전기분해는 셀(351)에 지속적으로 펌프를 통해 밀폐 용기 안에 있는 이산화탄소가 용해된 전해액을 순환시켜 수행된다. 전해액은 예컨대, KHCO3, K2CO3, KCl, NaHCO3, Na2CO3 및 Na2SO4 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 때 전해액 순환에 필요한 에너지는 태양전지에서 발생한 전류의 5% 미만이 되도록 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 전해액 순환에 에너지가 소비되는 경우에 그만큼 전체적인 시스템의 효율이 저감되기 때문이다.
한편, DC/DC 컨버터(330)는 태양전지(710)에서 생성된 입력전원의 전압(Vg, 도 3 참조)을 원하는 물질을 생성하는데 최적화된 출력전압(V0, 도 3 참조)으로 변환하여 셀(351)의 기틀전극에 인가한다. 이 때, DC/DC 컨버터(330)는 내부에 인덕터, 캐패시터와 같은 수동 소자와 MOSFET, 다이오드와 같은 반도체 소자를 이용하여 입력전압(Vg)와 출력전압(Vo)의 비율을 제어한다.
예를 들어, 도 3(a)를 참조하면, 도 3(a)의 DC/DC 컨버터(330)는 MOSFET의 스위칭 동작에 따라 입/출력 전압이 제어된다.
한편, 컨버터의 제어 방식이나 제어 변수는 DC/DC 컨버터의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 펄스 폭 변조 (Pulse-Width Modulation, PWM) 컨버터의 경우에는 고정된 스위칭 주기 대비 스위치를 켜는 시간을 의미하는 시비율(duty ratio)를 제어하며, 공진형 컨버터의 경우에는 주로 스위칭 주기 또는 스위칭 주파수를 변조함으로써 제어를 수행한다.
또한 제어 변수에 대한 입력 전압 Vg와 출력 전압 Vo의 비율 (=Vo/Vg) 함수는 컨버터의 토폴로지에 달라진다. 일반적으로 흔히 사용되는 토폴로지에는 도 3(b)와 도 3(c)가 있다. 도 3(b)는 벅 컨버터로 Vo/Vg가 항상 1보다 작거나 같은 반면, 도 3(c)은 부스트 컨버터로 Vo/Vg가 항상 1보다 크거나 같다.
한편, 도 3(d) 내지 도 3(f)의 DC/DC 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 기능을 합친 벅-부스트 컨버터로서 Vo/Vg가 1보다 작을 수도 있고 클 수도 있다. 입/출력 전압이 넓은 범위로 변하는 응용에 적합하다.
또한, 벅-부스트 기능을 하는 컨버터 토폴로지로 기본 벅-부스트 컨버터(도 3(d)), 케스케이디드 벅 부스트 컨버터(Cascaded Buck-Boost Converter, 도 3(e)), SEPIC(Single-Ended Parallel-Inductor Converter, 도 3(f))를 이용할 수 있다. 이 때, DC/DC 컨버터(330)의 인덕턴스(도 3(d), eh 3(e)의 L1 또는 도 3(f)의 L2)는 DC/DC 컨버터(330)의 동작 모드에 따라 설계치를 변경할 수 있다.
동작 모드가 연속 도통 모드 (Continuous Conduction Mode, CCM)의 경우는 인덕턴스에 흐르는 전류가 스위칭 주기 내내 0 이상의 값을 유지하도록 설계한다. 이 때는 스위칭 동작에 따른 인덕터 전류의 맥동이 충분히 작도록 인덕턴스 값을 크게 설계한다. 반대로 동작 모드가 불연속 도통 모드 (Discontinuous Conduction Mode, DCM)의 경우는 인덕터의 전류가 0이 되는 구간이 존재한다. CCM에 비해서 인덕터 전류의 맥동이 커지지만 인덕턴스 값은 작게 설계할 수 있다.
한편, 공진형 컨버터의 경우 인덕턴스 값은 공진 주파수와 공진 캐패시터 값을 고려해 설계된다.
또한, 컨버터 내 다이오드 D1은 컨버터의 전도 손실 (conduction loss)을 줄이기 위해 동기 정류기(Synchronous Rectifier, SR)로 대체될 수 있다. 도 3(g)는 다이오드 대신 동기 정류기를 사용한 벅 컨버터의 예시적인 회로이다.
바람직하게는, DC/DC 컨버터(330)로서 벅 컨버터를 활용할 수 있다. 이 경우, 태양광의 세기 및 태양전지 대비 필요한 병렬 연결된 컨버터-전해기 개수와 무관하게, 약 0.6~0.9 수준의 시비율이 유지가 되어 컨버터 효율 감소가 최소화 될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템(700)의 포집부(400)는 외부 공기의 유입을 완전히 차단하고 이산화탄소의 환원으로 생성된 생성물들을 포집하여 저장한다. 생성된 환원물을 저장하는 포집부(400)는 외부 공기의 유입을 완전히 차단하는 밀폐 용기가 사용될 수 있다.
한편, 센서부(500)는 기체 크로마토그래피(510), 액체 크로마토그래피(530) 또는 전류/전압 측정부를 포함할 수 있다. 포집부에서 포집된 기체 상태의 생성물은 기체 크로마토그래피(510)을 통하여 측정되고, 액체 상태의 생성물은 엑체 크로마토그래피(530)을 통하여 측정되어 제어부(200)로 전송된다.
또한, 이산화탄소가 환원된 생성물들은 포집부(400)에 포집되며 각각 액체상, 기체 상들은 액체 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피를 통해 분석하여 특정 시비율에서의 생성물의 경향성을 파악하고 시비율의 증감을 주며 지속적인 되먹임 과정을 통해 원하는 생성물이 최대가 되는 컨버터의 시비율을 찾아낸다.
한편, 전류/전압 측정부(550)는 이산화탄소 전해기(310, 350)의 전압 또는 전류를 측정하여, 제어부(200)에 제공할 수 있다. 도1과 같은 이산화탄소 환원 시스템의 구조를 통하여, DC/DC 컨버터로 들어오는 입/출력 전압 및/또는 전류를 실시간으로 읽어 전해부에 필요한 전압을 가할 수 있도록 하는 되먹임 회로가 작동하도록 한다.
제어부(200)는 센서부(500)를 통하여 수신된 생성물에 대한 정보를 이용하여 원하는 생성물이 최적의 상태로 포집되고 있는지를 파악한다. 제어부(200)는 메모리(205), DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부(250) 및 전극의 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부(210)를 포함할 수 있다.
이 경우, 메모리(205)는 전해부(300)의 전압-전류 별 생성물 추이를 미리 룩업테이블의 형태로 저장할 수 있으며, 기본적으로 전류, 전압 측정기(550)로 이산화탄소 전해기(310)에 인가되는 전류 및/또는 전압을 측정하여 DC/DC 이득을 제어하여 특정 이산화탄소 생성물의 최대 효율을 달성할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 센서부(500)을 포함하기 때문에 실시간으로 가장 최적화된 효율로 태양 에너지를 이산화탄소의 환원 에너지원으로 사용할 수 있으며, 정밀하게 유효면적을 제어하는 것이 가능하다.
DC/DC 이득 제어부(250)는 센서부의 센싱 결과에 기초하여 원하는 생성물을 최대로 획득할 수 있는 전압으로 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하며, 예컨대, DC/DC 컨버터가 포함하고 있는 MOSFET 스위치에 인가되는 PWM 신호의 시비율을 조정하거나, 또는 인가되는 신호의 주파수를 조정하여 DC/DC 컨버터의 이득을 제어할 수 있다.
전극 유효면적 제어부(210)는 원하는 생성물을 최대로 획득할 수 있도록 전극과 전해질이 접촉하는 유효면적을 제어할 수 있다. 유효면적 제어부(210)는 예컨대, 도 1과 같이 복수의 DC-EC 조합부(305) 중 가동되는 이산화탄소 전해기(310)의 수를 제어하거나, 또는 도 5 및 도 6과 같이 연결되는 이산화탄소 전해기(350)의 셀(351)의 개수를 제어하여 전극과 전해질이 접촉하는 유효면적을 제어할 수 있다. 이렇게 유효면적을 제어할 수 있기 때문에 태양전지에서 획득할 수 있는 전력 에너지를 원하는 생성물의 생성에 최대한 활용할 수 있게 된다.
종래 기술에서는 태양전지-이산화탄소 전해기를 직접 연결하거나, 또는 이산화탄소가 아닌 경우에 태양전지-DC/DC 컨버터-전해기를 연결하는 구성이 있는데, 이산화탄소의 경우에는 전해기에 인가되는 전압에 따라 다양한 물질이 생성될 수 있기 때문에 극도로 생성효율이 저감되게 된다. 하지만, 본 발명에서는 태양전지가 생성하는 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 최적화된 유효면적을 가진 전극을 제공하여 이산화탄소의 전기분해 생성물 중 원하는 물질을 최대 효율로 생성할 수 있게 된다.
한편, 태양전지(710)가 Si 기반 태양전지의 경우 단일 접합 셀(single junction cell)의 최대 전력 지점 전압이 약 0.5~0.7V임을 감안하여 6~7개를 직렬 연결하는 것이 바람직하다. 또는, 태양전지(710)가 GaAs 태양전지의 경우 최대 전력 지점 전압이 약 1~1.1V임을 감안하여 3~4개를 직렬 연결하는 것이 바람직하다. 또는, 태양전지(710)가 페로브스카이트 태양전지의 경우 최대 전력 전압 약 1 V임을 감안하여 약 3~5개를 직렬 연결할 수 있다. 태양전지(710)가 퀀텀닷(quantum dot) 태양전지의 경우 최대 전력 전압이 약 0.5V임을 감안하여 6~8개를 직렬 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 통하여, 최대 전력 지점의 전압이 약 3.2~4V 사이를 유지하도록 한다.
이 때, 태양전지(710)에서 발생시킬 수 있는 최대 출력은 100 W - 30 MW 스케일이 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 모듈 스케일에서 태양 발전 시설 스케일까지 모두 활용이 가능하다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 효과를 상세하게 설명한다.
도 4에 나타낸 그래프는 이산화탄소 분위기를 조성하는 과정이 상온 조건이며, 태양광을 태양전지에 직접 쪼여 주며 입사되는 광량은 0~1000 mW cm-2이다. 또한, 본 실시예에서 전체 연결된 DC-EC 조합부(305)의 수는 8개이다. 전해질의 농도는 0.1~0.5M 사이이며, 이때 시스템에 가해지는 이산화탄소의 압력은 1 ~ 5 bar이다.
이 경우, 태양전지(710) 광 입사 면적 대비 이산화탄소 전해기(310)의 셀(351)의 전극의 면적을 0.4에서 10으로 제한한다. 일례로 광입사 면적이 0.2 m2인 태양전지(710) 5 개를 직렬 연결 했을 때 셀의 전체 전극 면적이 0.1 m2인 전해기와 컨버터가 연결된 집합체를 4개 이상 100개 미만으로 병렬 연결하여 사용할 수 있다. 이는 시스템의 경제성과 적절한 시비율을 지속적으로 유지하기 위한 방안이다.
도 4를 참조하면, 태양전지(710)는 도 4의 ①번 그래프와 같이 동작하게 된다. 따라서, 태양광이 충분하게 공급되면, 최대 전력(A)에서 태양전지(710)가 동작하게 된다.
이 때, 이산화탄소 전해기(310)가 2개가 가동되었을 때는 ④번 그래프와 같이, 4개가 가동되었을 때는 ③번 그래프와 같이, 8개가 가동되었을 때에는 ②번 그래프와 같은 전력이 이산화탄소 전해기(310)의 구동에 필요한 전력이 된다. 즉, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)의 수에 따라 필요한 전압-전력 관계의 곡선이 변화하게 된다. 이 경우, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)의 수가 더 많은 경우에는 원하는 생성물을 획득하기 위한 전압 지점 부근에서 총 생산 속도가 더 급격하게 변하게 된다.
도 4에서는 가동되는 이산화탄소 전해기(310)가 4개인 경우에는, 원하는 생성물이 최대가 되는 전압(C)에서, 태양전지(710)의 최대 전력(A)과 가동되는 이산화탄소 전해기(310)에 필요한 전력(B)이 거의 일치한다. 따라서, 전극 유효면적 제어부(210)는 총 8개의 병렬 연결된 DC-EC 조합부(305)(ntot=8) 중에 4개의 장치만 가동하도록 제어한다.
그러나, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)가 2개인 경우에는, 원하는 생성물이 최대가 되는 전압(C)에서, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)에 필요한 전력(D)과 태양전지(710)의 최대 전력(A)의 차이가 가동되는 이산화탄소 전해기(310)가 4개인 경우에 비하여 더 크기 때문에, 전극 유효면적 제어부(210)가 DC-EC 조합부(305)(ntot=8) 중에 2개의 장치만 가동되도록 제어하는 경우에는 전체적으로 원하는 생성물을 획득하는 효율이 크게 떨어지게 된다.
즉, 전극 유효면적 제어부(210)는 가동되는 DC-EC 조합부(305)의 수를 가동되는 이산화탄소 전해기(310)에 필요한 전력과 태양전지(710)의 최대 전력의 차이가 최소화되도록 제어할 수 있다.
이러한 구성에서, 본 발명의 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 태양전지에서 생성된 에너지의 90% 이상을 컨버터를 통해 전해기에 적합한 전기 에너지로 변환하고 변환된 에너지의 75% 이상을 이산화탄소 환원물로 변환할 수 있고, 태양전지(710)에서 발생된 최대 전기 에너지의 68% 이상을 화학 에너지로 변환 시킬 수 있다.
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해부(300)에 대하여 설명한다.
도 5 및 도 6에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 전해부(300), 제어부(200), 포집부(400), 센서부(500) 및 태양전지(710)를 포함한다.
도 1의 실시예와 다른 점은 복수 개의 DC-EC 조합부(305)를 병렬 연결하지 않고 도 6에 나타낸 바와 같이 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(350)를 포함할 수 있다. 도 5 및 도 6의 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 전극 유효면적 제어부(210)의 제어와 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(350)를 포함하는 것 외에는 동일한 구성이다. 설명의 간략화를 위하여 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
전해부(300)는 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(310) 및 DC/DC 컨버터(330)를 포함할 수 있다.
이 경우, 도 6을 참조하면, 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(310)는 복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3)을 적층하여 구성한다. 도 6에는 편의상 3개의 셀이 적층되어 있는 것으로 표시하였으나, 더 많은 셀을 적층하는 것도 가능하다.
복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3) 각각은 도 2에 나타낸 셀(351)과 동일한 구조를 가진다. 그리고, 복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3) 각각은 서로 동일한 면적을 가질 수도 있고, 서로 다른 면적을 가질 수도 있다. 예컨대, 복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3) 각각 1:2:4의 면적 비율로 구성될 수도 있다. 이렇게 서로 다른 면적 비율을 가져갈 경우에는 보다 원하는 전압에 가깝게 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 촉매 효율이 높은 전이 금속을 기반으로 하여 전해기를 형성 후 태양전지와 컨버터를 연결하여 특정 생성물을 높은 효율과 수득률로 안정적으로 모을 수 있으며, 성장하는 이산화탄소 전환 시장에 있어서 가장 중요한 요소인 촉매 시장에 대한 선점효과와 현재 이산화탄소 환원을 대체 에너지원을 통해 친환경적으로 이루어 낼 수 있다.
또한, 본 발명에서 구리 환원극 기반의 이산화 탄소 전해기와 이를 컨버터, 태양전지와 연결한 시스템은 현재 탄소 배출 감축이 절실히 요구되는 현 상황에서 친환경적으로 이를 해결하고 고부가가치를 창출하여 혁신을 도모한 사례로 실용화 가능성이 높으며, 본 발명에서 제안하는 시스템은 연료전지 및 배터리 등 다양한 전기 화학 시스템에 적용이 가능하다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 태양전지;
    이산화탄소 전해기 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC-EC 조합부를 포함하는 전해부;
    전해액과 상기 이산화탄소 전해기 내의 전극이 접촉하여 환원 반응이 일어나는 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부;
    상기 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부; 및
    상기 이산화탄소 전해기에서 생성되는 생성물을 포집하는 포집부;를 포함하며,
    상기 전극 유효면적 제어부는 상기 포집부에서 원하는 생성물이 최대가 되는 전압에서 가동되는 이산화탄소 전해기에 필요한 전력과 상기 태양전지의 최대 전력과의 차이가 최소화되도록 상기 유효면적을 제어하며,
    상기 전해부는 복수 개의 DC-EC 조합부를 포함하며, 상기 복수 개의 DC-EC 조합부는 상기 태양전지에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 전극 유효면적 제어부는 복수 개의 DC-EC 조합부 중 가동되는 DC-EC 조합부의 수를 제어하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 시비율을 가지는 PWM 신호로 제어되는 벅 컨버터이며, 상기 시비율은 0.6 ~ 0.9로 제어되는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 전해기는 적층된 복수의 셀을 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 적층된 복수의 셀 중 적어도 일부를 가동하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 이산화탄소 전해기에 실제 인가되는 전압 또는 전류를 측정하는 전류-전압 측정부를 더 포함하며, 상기 DC/DC 이득 제어부는 전류-전압 측정부에서 측정된 전압 또는 전류에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 메모리를 더 포함하며, 상기 메모리는 상기 이산화탄소 전해기에 인가되는 전압-전류 별 생성물 추이를 미리 룩업테이블의 형태로 저장하고, 상기 DC/DC 이득 제어부는 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 액체 상태의 생성물을 측정하는 액체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 액체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 전해기는 순차적으로 적층된 기틀전극, 산화전극, 이온교환막 및 환원 전극을 포함하는 셀을 포함하며, 상기 기틀 전극은 상기 전해액이 순환하는 통로를 구비하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화 전극은 기판 및 상기 기판에 도포되는 나노 입자를 포함하며, 상기 나노 입자는 10 ~ 500 nm의 크기를 가지며, 상기 산화 전극은 상기 나노 입자가 녹아 있는 용액을 스프레이, 드랍 또는 스핀 코팅하여 생성되며, 상기 산화 전극 1cm2 당 10 mg을 넘지 않는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전해액 순환에 에너지는 상기 태양전지에서 발생한 전류의 5% 미만이 되도록 사용하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
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