KR102523597B1 - 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 광전기 화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치로서, 각 채널은, 상기 전해질액과 산화 반응으로 산소를 생성해내며, 나노와이어 구조의 질화물계 반도체 물질을 사용한 광촉매 전극인 양극; 이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 촉매 전극인 음극; 상기 양극과 음극 사이에 위치하여 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위한 분리막을 포함한다.
본 발명에 따르면, 추가적으로 외부전압 역할로써 PV(photovoltaic)와 반응 촉매로써 조촉매 물질을 도입한 하이브리드 셀(cell)을 제작하여 고효율이고 고신뢰성을 갖는다.
본 발명에 따르면, 추가적으로 외부전압 역할로써 PV(photovoltaic)와 반응 촉매로써 조촉매 물질을 도입한 하이브리드 셀(cell)을 제작하여 고효율이고 고신뢰성을 갖는다.
Description
본 발명은 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법에 관한 것으로 특히, 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지를 이용하여 이산화탄소를 부가가치가 높은 탄소화합물로 생성하는 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
광합성은 태양광을 에너지로 사용하여 이산화탄소와 물을 산소와 녹말로 전환하는 반응이다.
이러한 광합성은 녹색식물과 광합성 박테리아 내에서는 이러한 광합성이 활발하게 일어나고 있다.
이러한 자연계의 광합성에 대응하여, 태양광을 에너지로 사용하여 이산화탄소와 물을 산소와 액체연료 등으로 전환시키는 반응을 인공광합성이라고 한다.
화학적 측면에서 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)은 위치 에너지가 매우 낮은 물질이고 연료와 산소는 위치 에너지가 상대적으로 높은 물질이다.
자연계의 식물들은 태양에너지(Sun)를 이용하여 광합성 작용을 통해 이산화탄소와 물을 보다 위치 에너지가 높은 물질인 탄수화물과 산소(O2)로 전환시킨다. 전환된 탄수화물과 산소를 다시 반응시키면 이는 다시 이산화탄소와 물로 전환되고 두 반응물질의 위치 에너지 차이만큼 열이 외부로 방출된다.
한편, 인류는 화석연료의 연소를 통하여, 즉 화석연료를 산소와 반응시켜 이산화탄소와 물을 생성하는 반응을 통해 에너지를 얻고 있다. 이로 인하여 대기 중에 이산화탄소의 농도는 나날이 증가하고 있으며 지구온난화의 주된 원인으로 여겨지고 있다. 현재 급속도로 진행되고 있는 이러한 지구온난화는 지구 환경 문제의 중요 원인들 중 하나로 인식되고 있다.
따라서 화석연료 대신에 태양에너지, 수력, 풍력, 조력, 지열, 바이오 연료 등의 재생에너지의 활용도를 높이기 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다. 이중 가장 유망한 재생에너지는 태양에너지이다.
종래 개발된 태양에너지 활용 방법은 태양열과 태양광을 전기에너지로 전환하는 방법이 있다.
그러나, 전 세계에서 생산되는 전력 중에서 태양에너지를 이용하여 생산되는 전력양은 무시할 정도로 작다. 더욱이 태양전지의 효율은 이미 거의 한계에 다다랐으며 태양전지 생산단가는 증가추세에 있다. 따라서 태양광과 물과 이산화탄소를 이용하여 유용한 물질을 생산하는 인공광합성의 구현에 대한 필요성이 점점 증가하고 있다.
이와 같이 이산화탄소(CO2)는 대표적 온실가스로 지구 전체 온실가스의 70% 이상을 차지하고 있기 때문에 CO2 감축이 온실가스 감축의 실질적인 핵심이 되고 있다.
따라서 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가가치의 화합물(화학원료)을 생산할 광전기화학 이산화탄소 탄화수소 변환 기술로써, CO2를 단순히 버려지는 물질이 아닌 유용한 자원으로 활용하여 부가가치가 높은 다른 탄소화합물(value-added chemicals)로 전환하는 기술 및 장치가 필요하다.
도 1은 일반적인 태양전지-광전기화학 구조의 인공광합성 장치의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지로부터 공급되는 전기와 태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 산소와 일산화탄소를 생성하고 있다.
도 1을 참조하면, 일반적인 태양전지-광전기화학 구조의 인공광합성 장치는,
물과 산화 반응으로 산소를 생성해내는 양극과,
이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 음극으로 구성된다.
여기서, 반응물(물, 이산화탄소, 양성자)은 양극과 음극 사이의 이산화탄소 포화 수용액을 통해 제공된다.
또한, 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위해 분리막이 사용된다.
이러한 구성을 가진 태양전지-광전기화학 구조의 인공광합성 장치의 음극에서 이산화탄소가 환원되어 생성되는 결과물은 대표적으로 일산화탄소(CO)이다.
필요에 따라서, 포름산(HCOOH), 메탄(CH4), 에탄올(C2H5OH), 에틸렌(C2H4)을 생성하는 것도 가능하며, 수소발생반응이 주요 경쟁반응으로 참여한다. 이 때, 전극에 사용되는 촉매는 생성물의 선택도를 결정할 뿐만 아니라 에너지효율을 향상시키는데 있어서 중요한 역할을 한다.
예를 들어, 금속 전극 중에서 Au, Ag, Zn 금속은 CO 발생 반응에 높은 선택성을 보여주는 반면, Sn, Pb, Bi 금속은 HCOOH 발생 반응을 촉진시킨다.
특별히 Cu 금속의 경우, 메탄, 에탄올, 에틸렌과 같은 고부가가치의 탄소화합물을 생성한다.
그러나, 이러한 인공광합성은 수많은 과학자들이 많은 노력을 하였음에도 불구하고 아직도 인공광합성은 효율적으로 구현되지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고신뢰성 재료인 Nitride계 반도체 물질을 PEC 광전극 물질로 사용하여 인공광합성의 효율을 향상하고 안정성 등 신뢰성을 높이는 광전기 화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 추가적으로 외부전압 역할로써 PV(photovoltaic)와 반응 촉매로써 조촉매 물질을 도입한 하이브리드 셀(cell)을 제작하여 고효율이고 고신뢰성을 갖는 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 조도에 따라 태양전지 또는 2차전지로부터 전기를 공급하여 탄소화합물을 생성하도록 하는, 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 탄소 화합물의 발생을 모니터링 하면서 전해질 및 이산화탄소의 공급을 제어함으로써 안정적으로 탄소화합물을 생성하는, 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 특징에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치는,
이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치로서,
각 채널은,
상기 전해질액과 산화 반응으로 산소를 생성해내며, 나노와이어 구조의 질화물계 반도체 물질을 사용한 광촉매 전극인 양극;
이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 촉매 전극인 음극;
상기 양극과 음극 사이에 위치하여 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위한 분리막을 포함한다.
태양광으로부터 전원을 생성하는 태양광 모듈:
상기 태양광 모듈에서 생성된 전기를 저장하는 2차전지;
일사량을 감지하는 일사조도계;
상기 일사 조도계에서 감지되는 일사량이 기준값 이상인 경우, 상기 태양광 모듈의 전기를 공급하도록 하고, 상기 일사 조도계에서 감지되는 일사량이 기준값 미만인 경우 상기 2차전지에서 전기를 공급하도록 제어하는 제어부;
상기 제어부 제어에 따라 상기 태양광 모듈 또는 2차전지의 전압을 상기 양극 및 음극에 필요한 소정 전압으로 변환하여 공급하는 컨버터를 포함한다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 특징에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치는,
이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치로서,
제1 채널의 이산화탄소 출구는 제2 채널의 이산화탄소 입구에 연결되고, 제2 채널의 이산화탄소 출구는 제3 채널의 이산화탄소 입구에 연결되고, 제3 채널의 이산화탄소 출구는 제4 채널의 이산화탄소 입구에 연결되고,
제1 채널의 전해질액 출구는 제2 채널의 전해질액 입구에 연결되고, 제2 채널의 전해질액 출구는 제3 채널의 전해질액에 연결되고, 제3 채널의 전해질액 출구는 제4 채널의 전해질액 입구에 연결되며,
상기 제1 내지 제4 채널에서 발생하는 탄소화합물의 출구는 하나의 수집 라인으로 수집되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 내지 제4 채널 각각은,
상기 전해질액과 산화 반응으로 산소를 생성해내며, 나노와이어 구조의 질화물계 반도체 물질을 사용한 광촉매 전극인 양극;
이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 촉매 전극인 음극;
상기 양극과 음극 사이에 위치하여 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위한 분리막을 포함한다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 특징에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어 방법은,
이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어 방법으로서,
양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 공급하는 단계;
이산화탄소를 상기 광전기화학셀의 음극 전해질액에 공급하는 단계;
상기 광전기화학셀에 광 및 전기를 인가하여 인공광합성을 하는 단계;
상기 광전기화학셀에서 발생되는 탄소화합물을 감지하는 단계;
상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 1차 판단하는 단계;
1차 판단결과, 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우,상기 이산화탄소를 추가 공급하는 단계;
소정 시간후 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 2차 판단하는 단계;
2차 판단 결과, 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우,상기 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 추가 공급하는 단계를 포함한다.
상기 방법은,
소정 시간후 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 3차 판단하는 단계;
3차 판단 결과, 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 경고를 하는 단계를 더 포함한다.
상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우,상기 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 추가 공급하는 단계에서는,
상기 양극 전해질액과 음극 전해질액의 농도를 감지하여 기준 농도 이상의 양극 전해질액과 음극 전해질액을 공급한다.
상기 이산화탄소를 상기 광전기화학셀의 음극 전해질액에 공급하는 단계에서는,
상기 광전기화학셀에서 배출되는 이산화탄소를 감지하여 정상 작동여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고신뢰성 재료인 Nitride계 반도체 물질을 PEC 광전극 물질로 사용하여 인공광합성의 효율을 향상하고 안정성 등 신뢰성을 높이는 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 추가적으로 외부전압 역할로써 PV(photovoltaic)와 반응 촉매로써 조촉매 물질을 도입한 하이브리드 셀(cell)을 제작하여 고효율이고 고신뢰성을 갖는 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 조도에 따라 태양전지 또는 2차전지로부터 전기를 공급하여 탄소화합물을 생성하도록 하는, 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 탄소화합물의 발생을 모니터링 하면서 전해질 및 이산화탄소의 공급을 제어함으로써 안정적으로 탄소화합물을 생성하는, 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치 및 그의 제어방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지-광전기화학 구조의 인공광합성 모듈의 모식도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 블록 구성도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 하나의 채널을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 최적 구동 조건을 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 다채널 연결의 예를 보인 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 양극과 음극의 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 광전기화학구조의 전극인 양극의 단면을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 양극의 제조방법을 보인 도면이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 블록 구성도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 하나의 채널을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 최적 구동 조건을 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 다채널 연결의 예를 보인 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 양극과 음극의 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 광전기화학구조의 전극인 양극의 단면을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 양극의 제조방법을 보인 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서 일산화탄소를 에로 들어 설명하나 다른 탄소화합물도 동일한 과정으로 수행 가능하다. 즉, 탄소수소물의 일예로 일산화탄소를 예를 들어 설명한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 블록 구성도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 하나의 채널을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 최적 구동 조건을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치는,
이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치로서,
각 채널(300)은,
상기 전해질액과 산화 반응으로 산소를 생성해내며, 나노와이어 구조의 질화물계 반도체 물질을 사용한 광촉매 전극인 양극(351);
이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 촉매 전극인 음극(352);
상기 양극(351)과 음극(352) 사이에 위치하여 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위한 분리막(353)을 포함한다.
그리고 분리막 양 옆에 양극(351) 및 음극(352)이 위치하고, 글래스 윈도우(354)가 상부에서 태양광을 입사받는다.
글래스 윈도우(354)는 실리콘 개스킷(358)에 의해 밀봉된다.
또한, 글래스 윈도우(354)는 어퍼 플레이트(355)에 의해 고정된다.
또한, 로워 플레이트(356)가 셀(301)을 지지하게 된다.
그리고 4개의 입력포트(310)를 통해 이산화탄소 및 양극 전해질액 및 음극 전해질액이 공급되고, 4개의 출력포트(320)를 통해 이산화탄소 및 양극 전해질액 및 음극 전해질액이 출력되면서 순환이 된다.
각 채널(300)은 셀(301)로 구성된다.
도 13은 상기 양극(351)과 음극(352)의 예를 나타내었고,
광전기화학구조의 전극인 양극(351)의 단면은 도 14에 도시하였다.
그리고 도 15는 양극(351)이 제조방법을 보인 도면이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면,
본 발명의 실시예에서는 에칭 공정을 통한 나노 구조의 광전극을 생성하여 표면 응력 제어를 통해 광부식을 저감하여 광전극 구조의 수명 및 효율 성능을 향상시킨 신뢰성이 높은 PEC 전극 구조 사용하였다.
이러한 양극(351)은 MOCVD 공정을 통해 In 조성비를 최적화하여 가시광 흡수 증대를 위한 InGaN layer 성장후,
Nano metal mask를 형성한 후
Electrochemical etching 기술을 이용하여 에칭을 하게 된다.
그러면, InGaN층의 나노 구조의 양전극 형상이 제작된다.
또한, 본 발명의 실시예는,
태양광으로부터 전원을 생성하는 태양광 모듈(220):
상기 태양광 모듈에서 생성된 전기를 저장하는 2차전지(230);
일사량을 감지하는 일사조도계(210);
상기 일사 조도계(210)에서 감지되는 일사량이 기준값 이상인 경우, 상기 태양광 모듈의 전기를 공급하도록 하고, 상기 일사 조도계에서 감지되는 일사량이 기준값 미만인 경우 상기 2차전지에서 전기를 공급하도록 제어하는 제어부(200);
상기 제어부(200) 제어에 따라 상기 태양광 모듈 또는 2차전지의 전압을 상기 양극(351) 및 음극(352)에 필요한 소정 전압으로 변환하여 공급하는 컨버터(240)를 더 포함한다.
또한, 산소를 감지하는 산소 감지부(110);
탄소화합물을 감지하는 탄소화합물 감지부(120);
이산화탄소를 감지하는 이산화탄소 감지부(130);
이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 공급밸브(150);
양극전해질액 저장조(161)의 양극전해질액을 공급하는 양극 전해질액 공급밸브(160);
음극전해질액 저장조(171)의 음극전해질액을 공급하는 음극 전해질액 공급밸브(170);를 더 포함하고,
상기 제어부(200)는 또한, 산소 감지부(110), 탄소화합물 감지부(120), 이산화탄소 감지부(130)의 출력을 수신하고, 양극 전해질액 공급밸브(160) 및 음극 전해질액 공급밸브(170)를 제어한다. 구체적으로 상기 탄소화합물 감지부(120)는 일산화탄소 감지부일 수 있다.
도 3 또는 도 7을 참조하면, 실시간 모니터링 소트트웨어로 탄소화합물 출력이 정상인지 모니터링 하면서, 테스트 소프트웨어로 양극(351)과 음극(352)에서 출력되는 전류와 전압을 감지한다. 구체적으로 상기 탄소화합물은 일산화탄소일 수 있다.
그리고 광전기 화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 최적 구동 조건은 탄소화합물 출력이 정상인 상태에서 광전기화학셀의 전압과 전류가 최대로 되는 지점으로 결정한다.
그리고 나서, 이러한 결정된 조건으로 본 발명의 실시예에 따른 광전기 화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치를 동작시키게 된다.
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 광전기 화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광전기 화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 먼저, 일사조도계(210)는 일사량을 감지하고, 제어부(200)는 일사조도계(210)로부터 감지된 일사조도량을 수신한다(S810).
그리고 제어부(200)는 상기 일사 조도계(210)에서 감지되는 일사량이 기준값 이상인지 판단한다(S820).
판단 결과, 제어부(200)는 상기 일사 조도계(210)에서 감지되는 일사량이 기준값 이상인 경우, 상기 태양광 모듈(220)의 전기를 공급하도록 하고(S840), 상기 일사 조도계(210)에서 감지되는 일사량이 기준값 미만인 경우 상기 2차전지(230)에서 전기를 공급하도록 제어한다(S830).
그리고 나서, 컨버터(240)는 상기 제어부(200) 제어에 따라 상기 태양광 모듈(220) 또는 2차전지(230)의 전압을 상기 양극(351) 및 음극(352)에 필요한 소정 전압으로 변환하고(S850, S860), 광전기화학셀(301)에 공급한다(S870).
이러한 과정에 의해 본 발명에 따르면, 조도에 따라 태양광 모듈(220) 또는 2차전지(230)로부터 전기를 공급하여 탄소화합물을 생성하도록 할 수 있으며, 이하에서는 탄소화합물 생성 과정에 대해 설명한다.
도 9를 참조하면, 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀(301)에 공급한다(S901).
또한, 이산화탄소를 상기 광전기화학셀(301)의 음극 전해질액에 공급한다(S902).
다음, 상기 광전기화학셀(301)에 광 및 전기를 인가하여(S903) 인공광합성을 시작한다(S904). 그러면, 산소와 탄소화합물이 발생하고, 산소 저장부(111)와 탄소화합물 저장부(121)에 저장된다. 구체적으로 상기 탄소화합물은 일산화탄소일 수 있다.
그리고 탄소화합물 감지부(120)는 상기 광전기화학셀(301)에서 발생되는 탄소화합물을 감지하여 제어부(200)로 출력한다(S905).
그러면 제어부(200)는 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 1차 판단한다(S906). 여기서, 탄소화합물이 정상적으로 발생하지 않으면, 뭔가 이상이 있다고 판단한다.
1차 판단결과, 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 제어부(200)는 상기 이산화탄소를 추가 공급한다(S907).
소정 시간후 제어부(200)는 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 2차 판단한다(S908).
2차 판단 결과, 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 제어부(200)는 상기 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀(301)에 추가 공급한다(S909).
소정 시간 후 제어부(200)는 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 3차 판단한다(S910).
3차 판단 결과, 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 제어부(200)는 경고를 한다(S911). 이때 경고 방법은 담당자에게 알리는 경보를 출력하거나, 표시부에 표시하거나 담당자 단말기로 알람 메시지를 보내는 방법을 사용할 수 있다.
필요에 따라 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 상기 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 추가 공급하는 단계(S909)에서는, 제어부(200)가 상기 양극 전해질액과 음극 전해질액의 양극 전해질액 공급밸브(160) 및 음극 전해질액 공급밸브(170)에 구비된 농도 감지부를 이용하여 농도를 감지하고, 감지된 농도가 기준값 이하로 진하지 않은 경우, 기준 농도 이상의 양극 전해질액과 음극 전해질액을 공급하여 원할한 인공 광합성이 되도록 한다. 필요에 따라서는 선택적으로 양극 전해질액 또는 음극 전해질액중 농도가 기준값 이하인 경우에만 전해질액을 공급할 수 있다.
필요에 따라 상기 이산화탄소를 상기 광전기화학셀(301)의 음극 전해질액에 공급하는 단계에서(S907)는, 제어부(200)가 상기 광전기화학셀(301)에서 배출되는 이산화탄소를 감지하여 정상 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 다채널 연결의 예를 보인 도면이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치는,
이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치로서,
제1 채널의 이산화탄소 출구는 제2 채널의 이산화탄소 입구에 연결되고, 제2 채널의 이산화탄소 출구는 제3 채널의 이산화탄소 입구에 연결되고, 제3 채널의 이산화탄소 출구는 제4 채널의 이산화탄소 입구에 연결되고,
제1 채널의 전해질액 출구는 제2 채널의 전해질액 입구에 연결되고, 제2 채널의 전해질액 출구는 제3 채널의 전해질액에 연결되고, 제3 채널의 전해질액 출구는 제4 채널의 전해질액 입구에 연결되며,
상기 제1 내지 제4 채널에서 발생하는 탄소화합물의 출구는 하나의 수집 라인으로 수집되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 내지 제4 채널 각각은,
상기 전해질액과 산화 반응으로 산소를 생성해내며, 나노와이어 구조의 질화물계 반도체 물질을 사용한 광촉매 전극인 양극(351);
이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 촉매 전극인 음극(352);
상기 양극(351)과 음극(352) 사이에 위치하여 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위한 분리막을 포함한다.
도 10은 4채널 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치를 나타내고,
도 11은 16채널 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치가 서로 연결된 상태를 보인다.
그리고 도 12는 도 11의 16채널 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치가 서로 연결된 상태의 후면을 보인다.
본 발명에 따르면, 고신뢰성 재료인 Nitride계 반도체 물질을 PEC 광전극 물질로 사용하여 인공광합성의 효율을 향상하고 안정성 등 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 추가적으로 외부전압 역할로써 PV(photovoltaic)와 반응 촉매로써 조촉매 물질을 도입한 하이브리드 셀(cell)을 제작하여 고효율이고 고신뢰성을 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면, 탄소화합물의 발생을 모니터링 하면서 전해질 및 이산화탄소의 공급을 제어함으로써 안정적으로 탄소화합물을 생성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 이산화탄소와 전해질액을 공급받아 탄소화합물을 생성하기 위한 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어 방법으로서,
일사조도계가 일사량을 감지하고, 제어부가 상기 일사조도계로부터 감지된 일사조도량을 수신하는 단계(S810);
상기 제어부가 상기 일사 조도계에서 감지되는 일사량이 기준값 이상인지 판단하는 단계(S820);
판단 결과, 상기 제어부가 상기 일사 조도계에서 감지되는 일사량이 기준값 이상인 경우, 태양광 모듈의 전기를 공급하도록 하고(S840), 상기 일사 조도계에서 감지되는 일사량이 기준값 미만인 경우 2차전지에서 전기를 공급하도록 제어하는 단계(S830);
컨버터가 상기 제어부 제어에 따라 상기 태양광 모듈 또는 상기 2차전지의 전압을 양극 및 음극에 필요한 소정 전압으로 변환하고(S850, S860), 광전기화학셀에 공급하는 단계(S870)를 포함하고,
양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 공급하는 단계;
이산화탄소를 상기 광전기화학셀의 음극 전해질액에 공급하는 단계;
상기 광전기화학셀에 광 및 전기를 인가하여 인공광합성을 시작하면, 산소와 탄소화합물이 발생하여, 산소 저장부와 탄소화합물 저장부에 각각 저장되는 단계;
상기 광전기화학셀에서 발생되는 탄소화합물을 감지하는 단계;
상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 1차 판단하는 단계;
1차 판단결과, 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우,상기 이산화탄소를 추가 공급하는 단계;
소정 시간후 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 2차 판단하는 단계;
2차 판단 결과, 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 상기 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 추가 공급하는 단계를 더 포함하고
소정 시간후 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 이상으로 발생하는지 3차 판단하는 단계;
3차 판단 결과, 상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우, 담당자에게 알리는 경보를 출력하고, 표시부에 표시하거나 담당자 단말기로 알람 메시지를 출력하는 단계를 더 포함하고,
상기 광전기화학셀에서 배출되는 탄소화합물이 기준값 미만인 경우,상기 양극 전해질액과 음극 전해질액을 각각 광전기화학셀에 추가 공급하는 단계에서는,
상기 양극 전해질액과 음극 전해질액의 농도를 감지하여 기준 농도 이상의 양극 전해질액과 음극 전해질액을 공급하고,
상기 이산화탄소를 상기 광전기화학셀의 음극 전해질액에 공급하는 단계에서는,
상기 광전기화학셀에서 배출되는 이산화탄소를 감지하여 정상 작동여부를 판단하는 것을 특징으로 하고,
상기 다채널의 각 채널은,
전해질액과 산화 반응으로 산소를 생성해내며, 나노와이어 구조의 질화물계 반도체 물질을 사용한 광촉매 전극인 양극;
이산화탄소를 환원하여 탄소화합물을 만들어내는 촉매 전극인 음극;
상기 양극과 음극 사이에 위치하여 생성물의 교차 현상과 역반응을 막기 위한 분리막을 포함하고,
상기 양극은 MOCVD 공정을 통해 In 조성비를 최적화하여 가시광 흡수 증대를 위한 InGaN layer 성장후, 나노 메탈 마스크(Nano metal mask)를 형성한 후 전기화학적 에칭(Electrochemical etching) 기술을 이용하여 에칭을 하면, InGaN층의 나노 구조로 양전극 형상이 제작되는 것을 특징으로 하는
태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어 방법. - 삭제
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200136351A KR102523597B1 (ko) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200136351A KR102523597B1 (ko) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220052227A KR20220052227A (ko) | 2022-04-27 |
| KR102523597B1 true KR102523597B1 (ko) | 2023-04-20 |
Family
ID=81391065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200136351A KR102523597B1 (ko) | 2020-10-20 | 2020-10-20 | 태양전지-광전기화학 구조의 다채널 인공광합성 모듈 장치의 제어방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102523597B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140209478A1 (en) * | 2013-01-31 | 2014-07-31 | Sunpower Technologies Llc | Artificial Photosynthetic System Using Photocatalyst |
| JP2015113520A (ja) | 2013-12-13 | 2015-06-22 | 富士フイルム株式会社 | 人工光合成モジュール |
| JP2017048442A (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 株式会社東芝 | 光電気化学反応装置 |
-
2020
- 2020-10-20 KR KR1020200136351A patent/KR102523597B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140209478A1 (en) * | 2013-01-31 | 2014-07-31 | Sunpower Technologies Llc | Artificial Photosynthetic System Using Photocatalyst |
| JP2015113520A (ja) | 2013-12-13 | 2015-06-22 | 富士フイルム株式会社 | 人工光合成モジュール |
| JP2017048442A (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 株式会社東芝 | 光電気化学反応装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Yichen Wang등. APL Materials. 2015.12.09., 3, pp.116106-1~6* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220052227A (ko) | 2022-04-27 |
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